Mis On Vedeliku Dünaamika?

{h1}

Vedelike dünaamika on vedelike ja gaaside liikumise uurimine. Vedeliku dünaamika kehtib paljudes valdkondades, sealhulgas astronoomia, bioloogia, inseneri ja geoloogia.

American Heritage Dictionary'i sõnul on vedeliku dünaamika "vedelike ja gaaside liikumisega seotud rakendusteaduste haru". Vedeliku dünaamika on üks vedelate mehaanika kahe haru, milleks on vedelike uurimine ja nende mõju jõududele. (Teine haru on vedelik staatiline, mis tegeleb puhkevedelikega.)

Teadlased mitmes valdkonnas õpivad vedeliku dünaamikat. Vedelike dünaamika pakub meetodeid tähe, ookeani voolu, ilmastiku, plaateektoonika ja isegi vereringe evolutsiooni uurimiseks. Mõned olulised vedeliku dünaamika tehnoloogilised rakendused hõlmavad raketimootoreid, tuuleturbiine, naftajuhtmeid ja kliimaseadmeid.

Mis vool on?

Vedelike ja gaaside liikumist nimetatakse tavaliselt "vooluks" - kontseptsiooniks, mis kirjeldab, kuidas vedelad käituvad ja kuidas need ümbritsevas keskkonnas suhelda - näiteks kanali või toru kaudu liikuvat vett või pinnast. Vool võib olla kas püsiv või ebastabiilne. Oma loengus "Lektsioonid elementaarses vedeliku dünaamikas" (Kentucky Ülikool, 2009) kirjutab JM McDonough, Kentucky Ülikooli inseneriteaduse professor: "Kui kõik voolu omadused on ajast sõltumatud, siis on vool stabiilne, vastasel juhul on see ebastabiilne. " See tähendab, et pidevad vood ei muutu aja jooksul. Pideva voolu näideks oleks vool, mis voolab läbi toru konstantsel kiirusel. Teisest küljest on vananenud käsipumbast valatud üleujutus või vesi näited ebakindlast voolust.

Vool võib olla kas laminaarne või turbulentne. Laminaarsed vood on sujuvamad, ent turbulentsed vood on rohkem kaootilised. Üks oluline tegur vedeliku voolu oleku määramisel on selle viskoossus või paksus, kus suurem viskoossus suurendab laminaarse voolu tendentsi. Utahi Ülikooli inseneriülikool Patrick McMurtry kirjeldab oma online-klassi märkmete "Observations of Turbulent Flows" kohta (Utahi Ülikool, 2000) erinevust, milles öeldakse: "Lamineeritud voolu all peame tavaliselt silmas siledat, stabiilset vedeliku liikumine, kus suhteliselt tugevate viskoossete jõudude tõttu summutatakse kõik tekitatud häired. Turbulentsetel voogudel võivad teised jõud mõjutada viskoossuse toimet. "

Laminaarvoog on paljudes olukordades, näiteks drenaažisüsteemides või lennuki tiibades, soovitav, sest see on tõhusam ja kaotatud on vähem energiat. Turbulentne vool võib olla kasulik erinevate vedelike segamiseks kokku või temperatuuri võrdsustamiseks. McDonoughi sõnul on enamik huvipakkuvaid voogusid rahutu; aga selliseid vooge võib olla väga raske ennustada üksikasjalikult ja eristamine nende kahe tüüpi voolu on suuresti intuitiivne.

Vedeliku voolu oluline tegur on vedeliku Reynoldsi arv (Re), mis on nime saanud 19. sajandi teadlase Osborne Reynoldsi nime all, kuigi seda teatasid füüsik George Gabriel Stokes 1851. aastal. McDonough annab määratluse Re nagu "inertsiaalse ja viskoosse jõu suhe". Inertsi jõud on vedeliku vastupanu liikumise muutumisele ja viskoossusjõud on vedeliku viskoossuse või paksuse tõttu hõõrdumise hulk. Pange tähele Re ei ole mitte ainult vedeliku omadus; see hõlmab ka selle voolu tingimusi, nagu kiirus ning torujuhtme suurus ja kuju või mis tahes takistused.

Madalal Re, vool kipub olema sile või laminaarne, samal ajal kui kõrge Re, vool kipub olema turbulentne, moodustades kõverad ja keerised. Re saab prognoosida, kuidas gaas või vedelik liigub voolavas takistuses, näiteks vette, mis asetseb sildade või õhusõiduki tiiva kohal. Numbrit saab kasutada ka selleks, et prognoosida laminaarsest kuni turbulentseni voolamise üleminekut.

Vedel vool

Vedelikuvoo uurimist nimetatakse hüdrodünaamikaks. Kuigi vedelikud sisaldavad igasuguseid aineid, nagu õli ja keemilised lahused, on kõige tavalisem vedelik vesi ja enamik hüdrodünaamika rakendusi hõlmavad vedeliku voolu juhtimist. See hõlmab üleujutuste ohjamist, linna vee- ja kanalisatsioonisüsteemide toimimist ning laevatatavate veeteede haldamist. [Galerii: unikaalsed pildid näitavad ilu füüsikas]

Hüdrodünaamika tegeleb peamiselt vee vooluga torudes või avatud kanalites. Geoloogiateaduse professor John Southardi veebikursuse "Sissejuhatus vedelatele liikumistele" (Massachusettsi Tehnoloogiainstituut, 2006) loengukirjeldustest kirjeldab peamist erinevust toru voolu ja avatud kanali voolu vahel: "voolab suletud kanalites või kanalites nagu torud või õhukanalid puutuvad täielikult kokku jäigad piirid, "samas kui" avatud kanal voolab, teisalt on need, kelle piirid ei ole täiesti kindel ja jäik materjal ". Ta märgib, et "olulised avatud kanalite vood on pärast vihma jõed, jõgede voolud, niisutuskanalid või veetorud, mis kulgevad maapinnale pärast vihma."

Nende piiride erinevuste tõttu mõjutavad erinevad jõud kahte tüüpi voogusid. Vastavalt Scott Posti oma raamatus "Applied and Computational Fluid Mechanics" (Jones & Bartlett, 2009), "Kuigi voolu suletud torus võib juhtida kas rõhu või raskusjõu kaudu, voolab avatud kanalites voolavus ainult gravitatsiooni. " Surve määrab eelkõige vedeliku kõrgus mõõtmispunktist kõrgemale. Näiteks kasutavad enamus linnaveesüsteeme veetornid, et säilitada süsteemis püsivat survet.Seda kõrguse erinevust nimetatakse hüdrodünaamiliseks peadeks. Toru vedelikku saab ka mehaaniliste pumba abil voolata kiiremini või suurema survega.

Streaklines ilmuvad poolhaagise aerodünaamika suitsutesti ajal tuuletunnel.

Streaklines ilmuvad poolhaagise aerodünaamika suitsutesti ajal tuuletunnel.

Krediitkaardiga: Lawrence Livermore'i rahvuslik labor

Gaasi vool

Gaasi vool on palju sarnasusi vedeliku vooluga, kuid sellel on ka mõned olulised erinevused. Esiteks on gaas kokkupressitav, kuna vedelikke peetakse üldjuhul tihendamatuks. "Põlevate vedelike dünaamika alused" (Prentice-Hall, 2006) kirjeldab autor P. Balachandran kokkusurutavat vedelikku, märkides: "Kui vedeliku tihedus muutub märgatavalt kogu vooluhulga ulatuses, võib vooga töödelda kui kokkusurutavat voolu. " Vastasel korral peetakse vedelikku tihendamatuks. Teiseks mõjutab gravitatsioon raskust gaasivoolu.

Kõige sagedamini igapäevaelus leiduv gaas on õhk; Seetõttu on teadlased pööranud sellele voolu tingimustele palju tähelepanu. Tuul põhjustab hoonete ja muude rajatiste ümber õhu õhku, samuti saab seda teha ka pumpade ja ventilaatorite abil.

Üks erilist huvi pakkuv valdkond on objektide liikumine läbi atmosfääri. Seda vedeliku dünaamika haru nimetatakse American Heritage Dictionary'i sõnul aerodünaamikaks, mis on "gaasidega võrreldes liikuvate kehade dünaamika, eriti liikuvate objektide koosmõju atmosfääriga". Probleemid selles valdkonnas hõlmavad autokerede lohistamist, efektiivsemate lennukite ja tuuleturbiinide väljatöötamist ning lindude ja putukate lendamise uurimist.

Bernoulli põhimõte

Üldiselt on kõrgemal kiirusel liikuv vedelik madalam, kui vedelik liigub madalamal kiirusel. Seda nähtust kirjeldas Daniel Bernoulli 1738. aastal oma raamatus "Hydrodynamica" ja seda tuntakse üldiselt Bernoulli põhimõttena. Seda saab rakendada vedeliku või gaasi kiiruse mõõtmiseks torus, kanalis või pinnas.

See põhimõte vastutab ka õhusõiduki tiiva tõstmise eest, mistõttu lennukid võivad lennata. Kuna tiib on altpoolt tasane ja ülakeha kumerdunud, peab õhk liikuma pealmise pinna kaugemal kui põhjas. Selle saavutamiseks peab see tippu minema kiiremini, vähendades survet. See muudab kõrgema rõhuõhu alumisel kõrgusel tiival.

Probleemid vedeliku dünaamikas

Teadlased üritavad sageli voogu visualiseerida, kasutades jooniseid, mida nimetatakse sujuvamaks, triibuliseks ja teejooneks. McDonough määratleb sujuvamaks kui "pideva joonena vedelikus selliselt, et iga punkti puutuja on selles punktis kiirusvektori suund." Teisisõnu näitab sirgjoon voolu suunda mis tahes konkreetses voolu punktis. Vastavalt McDonoughi sõnul on triibuline joon "kõigile vedelikele elementidele, mis on eelnevalt antud punkti läbinud, lookus [asukoht]". Ta kirjutab, et teeäärne (või osakeste tee) on "vedeliku individuaalse elemendi trajektoor". Kui voog ei muutu aja jooksul, on teekond sama, mis sujuvalt. Siiski võivad torud või ebastabiilsed voolud olla suhteliselt erinevad.

Enamik probleeme vedeliku dünaamikas on liiga keeruline, et lahendada otsese arvutamise abil. Sellistel juhtudel tuleb probleeme lahendada arvutiseadiste abil arvutisimulatsioonidega. Seda uurimisvaldkonda nimetatakse arvuliseks või arvutuslikuks vedeliku dünaamikaks (CFD), mida Southard määratleb kui "arvutipõhise teaduse haru, mis pakub vedelike voogude arvu prognoose". Kuid kuna turbulentne voog on kalduvus olema mittelineaarne ja kaootiline, tuleb nende simulatsioonide eeskirjade ja esialgsete tingimuste kehtestamisel erilist tähelepanu pöörata. Alguses väikesed muudatused võivad põhjustada tulemuste suured erinevused.

Simulatsioonide täpsust saab parandada, jagades mahtu väiksematesse piirkondadesse ja kasutades väiksemaid ajajärjestusi, kuid see suurendab arvutiaega. Sel põhjusel peaks CFD edenema arvutusvõimsuse suurenemisega.

Jim Lucas on vabakutseline kirjanik ja toimetaja, kes on spetsialiseerunud füüsikale, astronoomiale ja insenerile. Ta on üldjuht Lucas Technologies.

Lisaressursid

  • NASA tunnelid Test Tennis Balls
  • Teadus ja tehnoloogia ülevaade: aerodünaamilise tõmbe vähendamine
  • Rahvusvaheline kosmosejaam: vedeliku voolu mudelid


Video Täiendada: Kalmer Kase loeng.




ET.WordsSideKick.com
Kõik Õigused Reserveeritud!
Mistahes Materjalide Reprodutseerimine Lubatud Ainult Prostanovkoy Aktiivne Link Saidile ET.WordsSideKick.com

© 2005–2019 ET.WordsSideKick.com