Begrijpen wat Fluid Dynamics is

Vloeistofdynamica is de studie van de beweging van vloeistoffen, inclusief hun interacties wanneer twee vloeistoffen met elkaar in contact komen. In deze context verwijst de term "vloeistof" naar beide vloeistof of gassen. Het is een macroscopische, statistische benadering om deze interacties op grote schaal te analyseren en de vloeistoffen te bekijken als een continuüm van materie en in het algemeen het feit negerend dat de vloeistof of het gas uit een individu bestaat atomen.

Vloeistofdynamica is een van de twee hoofdtakken van Vloeistofmechanica, met de andere tak vloeibare statica, de studie van vloeistoffen in rust. (Misschien niet verrassend, kan vloeistofstatistieken meestal als iets minder opwindend worden beschouwd dan vloeistofdynamica.)

Elke discipline omvat concepten die cruciaal zijn om te begrijpen hoe het werkt. Hier zijn enkele van de belangrijkste die u tegenkomt wanneer u probeert de fluïdumdynamiek te begrijpen.

De vloeistofconcepten die van toepassing zijn in vloeistofstatistieken komen ook in het spel bij het bestuderen van vloeistof die in beweging is. Vrijwel het vroegste concept in de vloeistofmechanica is dat van drijfvermogen, ontdekt in het oude Griekenland door Archimedes.

Terwijl vloeistoffen stromen, de dichtheid en druk van de vloeistoffen zijn ook cruciaal om te begrijpen hoe ze op elkaar inwerken. De viscositeit bepaalt hoe resistent de vloeistof is om te veranderen, dus is ook essentieel bij het bestuderen van de beweging van de vloeistof. Hier zijn enkele van de variabelen die in deze analyses naar voren komen:

• Bulk viscositeit: μ
• Dichtheid: ρ
• Kinematische viscositeit: ν = μ / ρ

Omdat vloeistofdynamica de studie van de beweging van vloeistof omvat, is een van de eerste concepten die moet worden begrepen hoe fysici die beweging kwantificeren. De term die natuurkundigen gebruiken om de fysieke eigenschappen van de beweging van vloeistof te beschrijven is stromen. Flow beschrijft een breed scala aan vloeistofbewegingen, zoals door de lucht blazen, door een pijp stromen of langs een oppervlak lopen. De stroming van een vloeistof wordt op verschillende manieren geclassificeerd, op basis van de verschillende eigenschappen van de stroming.

Als de beweging van vloeistof in de loop van de tijd niet verandert, wordt dit beschouwd als een gestage stroom. Dit wordt bepaald door een situatie waarin alle eigenschappen van de stroom constant blijven met betrekking tot tijd of afwisselend kunnen worden besproken door te zeggen dat de tijdderivaten van het stroomveld verdwijnen. (Bekijk calculus voor meer informatie over derivaten.)

EEN steady-state stroom is zelfs minder tijdsafhankelijk omdat alle vloeistofeigenschappen (niet alleen de stromingseigenschappen) op elk punt in de vloeistof constant blijven. Dus als u een gestage stroom had, maar de eigenschappen van de vloeistof zelf op een bepaald punt veranderden (mogelijk vanwege een barrière die tijdafhankelijke rimpelingen in sommige delen van de vloeistof veroorzaakt), dan zou u een constante stroom hebben dat is niet een steady-state stroom.

Alle steady-state stromen zijn echter voorbeelden van stabiele stromen. Een stroom die met een constante snelheid door een rechte pijp vloeit, zou een voorbeeld zijn van een stabiele stroom (en ook een constante stroom).

Als de stroom zelf eigenschappen heeft die in de loop van de tijd veranderen, wordt deze een onstabiele stroom of een voorbijgaande stroom. Regen die tijdens een storm in een goot stroomt, is een voorbeeld van onstabiele stroming.

In het algemeen zorgen stabiele stromen voor gemakkelijker te behandelen problemen dan onstabiele stromen, wat men zou verwachten gezien het feit dat de tijdafhankelijke veranderingen in de stroom hoeven niet in aanmerking te worden genomen, en dingen die in de loop van de tijd veranderen, zullen dingen meestal meer maken ingewikkeld.

Men zegt dat een vloeiende vloeistofstroom heeft laminaire stroming. Er wordt gezegd dat flow die ogenschijnlijk chaotische, niet-lineaire bewegingen bevat turbulente stroming. Per definitie is een turbulente stroming een soort onstabiele stroming.

Beide soorten stromen kunnen wervelingen, draaikolken en verschillende soorten recirculatie bevatten, maar hoe meer dergelijk gedrag er is, hoe groter de kans dat de stroom als turbulent wordt geclassificeerd.

Het onderscheid tussen of een stroom laminair of turbulent is, is meestal gerelateerd aan de Reynolds getal (Opnieuw). Het Reynolds-nummer werd voor het eerst berekend in 1951 door natuurkundige George Gabriel Stokes, maar het is vernoemd naar de 19e-eeuwse wetenschapper Osborne Reynolds.

Het Reynolds-getal is niet alleen afhankelijk van de specificaties van de vloeistof zelf, maar ook van de omstandigheden van de stroming, afgeleid als de verhouding van traagheidskrachten tot viskeuze krachten op de volgende manier:

Opnieuw = Inertiale kracht / Viskeuze krachten

Opnieuw = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

De term dV / dx is de gradiënt van de snelheid (of eerste afgeleide van de snelheid), die evenredig is aan de snelheid (V) gedeeld door L, wat een lengteschaal vertegenwoordigt, resulterend in dV / dx = V / L. De tweede afgeleide is zodanig dat d²V / dx² = V / L². Als u deze vervangt voor de eerste en tweede derivaten, resulteert dit in:

Opnieuw = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Je kunt ook delen door de lengteschaal L, wat resulteert in een Reynolds-nummer per voet, aangeduid als Re f = V / ν.

Een laag Reynoldsgetal geeft een vloeiende, laminaire stroming aan. Een hoog Reynoldsgetal duidt op een stroming die wervelingen en wervelingen gaat vertonen en over het algemeen turbulent zal zijn.

Pijpstroom staat voor een stroom die aan alle kanten in contact staat met starre grenzen, zoals water dat door een pijp beweegt (vandaar de naam "pijpstroom") of lucht die door een luchtkanaal beweegt.

Open kanaal stroom beschrijft stroming in andere situaties waarbij er ten minste één vrij oppervlak is dat niet in contact staat met een stijve grens. (In technische termen heeft het vrije oppervlak 0 parallelle pure spanning.) Gevallen van open-kanaalstroom omvatten water dat door een rivier stroomt, overstromingen, water dat tijdens regen stroomt, getijstromen en irrigatiekanalen. In deze gevallen vertegenwoordigt het oppervlak van het stromende water, waar het water in contact staat met de lucht, het "vrije oppervlak" van de stroming.

Stromen in een buis worden aangedreven door druk of zwaartekracht, maar stromen in open-kanaalsituaties worden uitsluitend aangedreven door zwaartekracht. Stadswatersystemen maken hier vaak gebruik van watertorens, zodat het hoogteverschil van het water in de toren (de hydrodynamische kop) creëert een drukverschil, dat vervolgens wordt aangepast met mechanische pompen om water naar de locaties in het systeem te brengen waar ze nodig zijn.

Gassen worden over het algemeen behandeld als samendrukbare vloeistoffen omdat het volume dat ze bevat kan worden verminderd. Een luchtkanaal kan met de helft worden verkleind en toch dezelfde hoeveelheid gas met dezelfde snelheid vervoeren. Zelfs als het gas door het luchtkanaal stroomt, zullen sommige regio's een hogere dichtheid hebben dan andere regio's.

In het algemeen betekent niet-samendrukbaar zijn dat de dichtheid van elk gebied van de vloeistof niet verandert als een functie van tijd terwijl deze door de stroom beweegt. Vloeistoffen kunnen natuurlijk ook worden gecomprimeerd, maar er is meer een beperking op de hoeveelheid compressie die kan worden gemaakt. Om deze reden worden vloeistoffen typisch gemodelleerd alsof ze onsamendrukbaar zijn.

Het principe van Bernoulli is een ander sleutelelement van vloeistofdynamica, gepubliceerd in Daniel Bernoulli's boek uit 1738 Hydrodynamica. Simpel gezegd relateert het de toename van de snelheid in een vloeistof aan een afname van de druk of potentiële energie. Voor onsamendrukbare vloeistoffen kan dit worden beschreven met behulp van wat bekend staat als Bernoulli's vergelijking:

(v²/2) + gz + p/ρ = constant

Waar g is de versnelling door zwaartekracht, ρ is de druk in de vloeistof, v is de vloeistofstroomsnelheid op een bepaald punt, z is de hoogte op dat punt, en p is de druk op dat punt. Omdat dit constant is binnen een vloeistof, betekent dit dat deze vergelijkingen twee willekeurige punten, 1 en 2, kunnen relateren aan de volgende vergelijking:

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

De relatie tussen druk en potentiële energie van een vloeistof op basis van hoogte is ook gerelateerd door de wet van Pascal.

Twee derde van het aardoppervlak is water en de planeet is omgeven door lagen van atmosfeer, dus we zijn te allen tijde letterlijk omringd door vloeistoffen... bijna altijd in beweging.

Als je er even over nadenkt, wordt het vrij duidelijk dat er veel interacties van bewegende vloeistoffen zouden zijn die we wetenschappelijk zouden kunnen bestuderen en begrijpen. Dat is natuurlijk waar vloeistofdynamica binnenkomt, dus er is geen tekort aan velden die concepten uit vloeistofdynamica toepassen.

Deze lijst is helemaal niet uitputtend, maar biedt een goed overzicht van de manieren waarop vloeistofdynamica in de studie van de fysica in een reeks specialisaties wordt weergegeven:

• Oceanografie, meteorologie en klimaatwetenschap - Aangezien de atmosfeer is gemodelleerd als vloeistoffen, de studie van de atmosferische wetenschap en oceaanstromingen, cruciaal voor het begrijpen en voorspellen van weerpatronen en klimaattrends, is sterk afhankelijk van vloeistofdynamica.
• Luchtvaart - De fysica van vloeistofdynamica omvat het bestuderen van de luchtstroom om luchtweerstand en lift te creëren, die op hun beurt de krachten genereren die een zwaardere vlucht dan lucht mogelijk maken.
• Geologie en geofysica - Platentektoniek omvat het bestuderen van de beweging van de verwarmde materie in de vloeibare kern van de aarde.
• Hematologie & Hemodynamica -De biologische studie van bloed omvat de studie van de circulatie door bloedvaten en de bloedcirculatie kan worden gemodelleerd met behulp van vloeistofdynamica.
• Plasma Physics - Hoewel noch een vloeistof noch een gas, plasma gedraagt ​​zich vaak op een manier die vergelijkbaar is met vloeistoffen, en kan dus ook worden gemodelleerd met behulp van vloeistofdynamica.
• Astrofysica en kosmologie - Het proces van stellaire evolutie omvat de verandering van sterren in de tijd, wat kan worden begrepen door te bestuderen hoe het plasma waaruit de sterren zijn samengesteld, in de loop van de tijd stroomt en op elkaar inwerkt.
• Verkeersanalyse - Misschien is een van de meest verrassende toepassingen van vloeistofdynamica het begrijpen van de beweging van het verkeer, zowel door voertuigen als door voetgangers. In gebieden waar het verkeer voldoende druk is, kan het hele verkeer worden behandeld als een enkele entiteit die zich gedraagt ​​op manieren die ruwweg vergelijkbaar zijn met de stroming van een vloeistof.

Vloeistofdynamica wordt ook wel aangeduid als hydrodynamica, hoewel dit meer een historische term is. Gedurende de twintigste eeuw werd de uitdrukking "vloeistofdynamica" veel vaker gebruikt.

Technisch gezien zou het beter zijn om te zeggen dat hydrodynamica is wanneer vloeistofdynamica wordt toegepast op vloeistoffen in beweging en aërodynamica is wanneer vloeistofdynamica wordt toegepast op bewegende gassen.

In de praktijk gebruiken gespecialiseerde onderwerpen zoals hydrodynamische stabiliteit en magnetohydrodynamica echter het "hydro-" voorvoegsel, zelfs wanneer ze die concepten toepassen op de beweging van gassen.