Hvad Er Væskedynamik?

{h1}

Væskedynamik er undersøgelsen af ​​flytning af væsker og gasser. Væskedynamik gælder for mange felter, herunder astronomi, biologi, ingeniørvidenskab og geologi.

Væskedynamikken er "gren af ​​anvendt videnskab, der beskæftiger sig med flytning af væsker og gasser", ifølge den amerikanske arvskatalog. Væskedynamik er en af ​​to grene af væskemekanik, som er undersøgelsen af ​​væsker og hvordan kræfter påvirker dem. (Den anden gren er flydende statik, der beskæftiger sig med væsker i ro.)

Forskere på tværs af flere felter studerer væskedynamik. Væskedynamik giver metoder til at studere udviklingen af ​​stjerner, havstrømme, vejrmønstre, pladetektonik og jævn blodcirkulation. Nogle vigtige teknologiske anvendelser af fluid dynamik omfatter raketmotorer, vindmøller, olierørledninger og klimaanlæg.

Hvad er flow?

Flytningen af ​​væsker og gasser betegnes generelt som "flow", et koncept, der beskriver, hvordan væsker opfører sig, og hvordan de interagerer med deres omgivende miljø - for eksempel vand, der bevæger sig gennem en kanal eller et rør eller over en overflade. Strømmen kan være enten stabil eller ustabil. I sine forelæsninger, "Lectures in Elementary Fluid Dynamics" (University of Kentucky, 2009) skriver JM McDonough, en professor i ingeniørvidenskab ved University of Kentucky, "Hvis alle egenskaber af en strøm er uafhængige af tiden, så er strømmen stabil, ellers er det ustabilt. " Det vil sige, at stabile strømme ikke ændrer sig over tid. Et eksempel på stabil strømning ville være vand, der strømmer gennem et rør med konstant hastighed. På den anden side er en oversvømmelse eller vandhældning fra en gammeldags håndpumpe eksempler på ustabil strømning.

Strømmen kan også være enten laminær eller turbulent. Laminærstrømme er glattere, mens turbulente strømme er mere kaotiske. En vigtig faktor ved bestemmelse af tilstanden af ​​væskestrømmen er dens viskositet eller tykkelse, hvor højere viskositet øger strømningens tendens til at være laminær. Patrick McMurtry, en ingeniør professor ved University of Utah, beskriver forskellen i sine online klassedokumenter, "Observations About Turbulent Flows" (University of Utah, 2000), hvori det hedder: "Ved laminær flow henviser vi generelt til en jævn, stabil væskebevægelse, hvor eventuelle inducerede forstyrrelser dæmpes på grund af de forholdsvis stærke viskøse kræfter. I turbulente strømme kan andre kræfter virke modvirker viskositetsvirkningen. "

Laminærstrømmen er ønskelig i mange situationer, såsom i drænsystemer eller flyvinger, fordi det er mere effektivt og mindre energi går tabt. Turbulent strømning kan være nyttig til at forårsage forskellige væsker at blande sammen eller til udligningstemperatur. Ifølge McDonough er de fleste interesser af interesse turbulente; Sådanne strømme kan imidlertid være meget vanskelige at forudsige i detaljer, og skelnen mellem disse to typer strømning er stort set intuitiv.

En vigtig faktor i væskestrømmen er væskens Reynolds-tal (Re), der er opkaldt efter det 19. århundredes videnskabsmand Osborne Reynolds, selvom det først blev beskrevet i 1851 af fysikeren George Gabriel Stokes. McDonough giver definitionen af Re som "forholdet mellem inerti og viskøse kræfter." Trækkraften er væskens modstand mod bevægelsesbevægelse, og den viskøse kraft er mængden af ​​friktion på grund af væskens viskositet eller tykkelse. Noter det Re er ikke kun en egenskab af væsken; det omfatter også betingelserne for dets strømning, såsom dets hastighed og rørets størrelse og form eller eventuelle hindringer.

Ved lavt Re, strømmen har en tendens til at være glat eller laminær, mens den er høj Re, strømmen har tendens til at være turbulent, der danner eddier og hvirvler. Re kan bruges til at forudsige, hvordan en gas eller væske vil strømme rundt om en forhindring i en strøm, som f.eks. vand omkring en bropile eller vind over en flyvinge. Nummeret kan også bruges til at forudsige den hastighed, ved hvilken strømningsovergange går fra laminær til turbulent.

Flydende strømning

Undersøgelsen af ​​væskestrøm kaldes hydrodynamik. Mens væsker omfatter alle slags stoffer, såsom olie og kemiske opløsninger, er langt den mest almindelige væske vand, og de fleste anvendelser for hydrodynamik indebærer at styre strømmen af ​​denne væske. Det omfatter oversvømmelseskontrol, drift af byvand og kloaksystemer og styring af vandveje. [Galleri: Dreamy Images Reveal Beauty in Physics]

Hydrodynamik beskæftiger sig primært med strømmen af ​​vand i rør eller åbne kanaler. Geologiprofessor John Southards forelæsningsnotater fra et online kursus "Introduktion til Fluidmotions" (Massachusetts Institute of Technology, 2006) beskriver hovedforskellen mellem rørstrøm og open-channel flow: "strømmer i lukkede ledninger eller kanaler, som rør eller luftkanaler er helt i kontakt med stive grænser, mens "åbne kanaler" på den anden side er dem, hvis grænser ikke er fuldstændigt et solidt og stift materiale. " Han siger, "vigtige open-channel-strømme er floder, tidevandsstrømme, vandingskanaler eller vandplader, der løber over jordoverfladen efter regn."

På grund af forskellene i disse grænser påvirker forskellige kræfter de to typer af strømme. Ifølge Scott Post i sin bog, "Applied and Computational Fluid Mechanics," (Jones & Bartlett, 2009), "Mens strømme i et lukket rør kan drives enten ved tryk eller tyngdekraften, bliver strømmen i åbne kanaler drevet alene af tyngdekraften. " Trykket bestemmes primært af væskens højde over målepunktet. For eksempel bruger de fleste byvandssystemer vandtårne ​​til at opretholde et konstant pres i systemet.Denne forskel i højde kaldes det hydrodynamiske hoved. Væske i et rør kan også gøres til at strømme hurtigere eller med større tryk ved hjælp af mekaniske pumper.

Streaklines vises under en røgprøve på sættevognens aerodynamik i en vindtunnel.

Streaklines vises under en røgprøve på sættevognens aerodynamik i en vindtunnel.

Kredit: Lawrence Livermore National Laboratory

Gasstrøm

Gasstrømmen har mange ligheder med væskestrømmen, men det har også nogle vigtige forskelle. For det første er gas komprimerbar, mens væsker generelt anses for at være inkompressible. I "Fundamentals of Compressible Fluid Dynamics" (Prentice-Hall, 2006) beskriver forfatter P. Balachandran komprimerbar væske med angivelse: "Hvis væskens densitet ændrer sig markant gennem strømningsfeltet, kan strømmen behandles som en komprimerbar strømning. " Ellers anses væsken for at være inkomprimerbar. For det andet er gasstrømmen næppe påvirket af tyngdekraften.

Den gas der oftest opstår i hverdagen er luft; Derfor har forskere lagt stor vægt på dets strømningsforhold. Vind får luft til at bevæge sig omkring bygninger og andre strukturer, og det kan også gøres til at bevæge sig af pumper og fans.

Et område af særlig interesse er bevægelsen af ​​genstande gennem atmosfæren. Denne gren af ​​væskedynamik kaldes aerodynamik, som er "dynamikken i organer, der bevæger sig i forhold til gasser, især samspillet mellem bevægelige objekter med atmosfæren", ifølge den amerikanske arvskatalog. Problemer på dette område indebærer at reducere træk på bilkroppe, designe mere effektive fly og vindmøller, og studere hvordan fugle og insekter flyver.

Bernoulli's princip

I almindelighed har væske, der bevæger sig ved en højere hastighed, lavere tryk end væske, der bevæger sig ved en lavere hastighed. Dette fænomen blev først beskrevet af Daniel Bernoulli i 1738 i sin bog "Hydrodynamica" og er almindeligvis kendt som Bernoulli's princip. Det kan anvendes til at måle hastigheden af ​​en væske eller gas, der bevæger sig i et rør eller en kanal eller over en overflade.

Dette princip er også ansvarlig for løft i en flyfløj, hvorfor fly kan flyve. Fordi vingen er flad på bunden og buet på toppen, skal luften rejse en større afstand langs den øverste overflade end langs bunden. For at gøre dette skal det gå hurtigere over toppen, hvilket får sit tryk til at falde. Dette gør højtryksluften på bunden op på vingen.

Problemer i væskedynamik

Forskere forsøger ofte at visualisere strømmen ved hjælp af tal, der hedder strømlinier, streglinjer og stier. McDonough definerer en strømlinje som "en kontinuerlig linje i et fluidum, således at tangenten ved hvert punkt er retningen af ​​hastighedsvektoren på det tidspunkt." Med andre ord viser en strømlinje retningen af ​​strømmen på et hvilket som helst bestemt punkt i strømmen. En streakline, ifølge McDonough, er "locus [placering] af alle væskeelementer, der tidligere har passeret et givet punkt." En sti (eller partikelsti), han skriver, er "bane for et individuelt element af væske." Hvis strømmen ikke ændres over tid, vil linjen være den samme som strømlinien. Men i tilfælde af turbulent eller ustabilt flow kan disse linjer være helt forskellige.

De fleste problemer i væskedynamikken er for komplekse til at blive løst ved direkte beregning. I disse tilfælde skal problemer løses ved hjælp af numeriske metoder ved brug af computersimuleringer. Dette studieområde kaldes numerisk eller beregningsfluid dynamik (CFD), som Southard definerer som "en gren af ​​computerbaseret videnskab, der giver numeriske forudsigelser af væskestrømme." Men fordi turbulent strømning har tendens til at være ikke-lineær og kaotisk, skal der især tages hensyn til opstilling af regler og indledende betingelser for disse simuleringer. Små ændringer i starten kan resultere i store forskelle i resultaterne.

Nøjagtigheden af ​​simuleringer kan forbedres ved at dividere lydstyrken i mindre områder og bruge mindre tidstrin, men det øger beregningstiden. Af denne grund bør CFD fremskridt som stigninger i computerkraften.

Jim Lucas er freelance skribent og redaktør med speciale i fysik, astronomi og teknik. Han er general manager for Lucas Technologies.

Yderligere ressourcer

  • NASA Tunnels Test Tennis Balls
  • Videnskab og teknologi Anmeldelse: Reduktion af aerodynamisk træk
  • International Space Station: Væskeflowmodeller


Video Supplement: How to optimize your pump station design with Xylem.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com