Kas Yra Skysčių Dinamika?

{h1}

Skysčių dinamika yra skysčių ir dujų judėjimo tyrimas. Skysčių dinamika taikoma daugelyje sričių, įskaitant astronomiją, biologiją, inžineriją ir geologiją.

Skysčių dinamika yra „taikomojo mokslo šaka, susijusi su skysčių ir dujų judėjimu“, teigiama Amerikos paveldo žodyne. Skysčių dinamika yra viena iš dviejų skysčių mechanikos atšakų, ty skysčių ir kaip jėgos juos veikia. (Kita šaka yra skysčio statika, kurioje kalbama apie skysčius ramybėje.)

Kelių sričių mokslininkai tiria skysčių dinamiką. Skysčių dinamika suteikia žvaigždžių, vandenynų srovių, oro sąlygų, plokštelinės tektonikos ir net kraujotakos evoliucijos tyrimo metodus. Kai kurie svarbūs skysčių dinamikos technologiniai taikymai yra raketų varikliai, vėjo turbinos, naftos vamzdynai ir oro kondicionavimo sistemos.

Kas yra srautas?

Skysčių ir dujų judėjimas paprastai vadinamas „tekėjimu“ - sąvoka, apibūdinančia, kaip skysčiai elgiasi ir kaip jie sąveikauja su juos supančia aplinka - pavyzdžiui, vandeniu, judančiu per kanalą ar vamzdį ar per paviršių. Srautas gali būti pastovus arba netolygus. Savo paskaitų konspektuose „Elementariųjų skysčių dinamikos paskaitos“ (Kentukio universitetas, 2009) JM McDonough, Kentukio universiteto inžinerijos profesorius, rašo: „Jei visos srauto savybės nepriklauso nuo laiko, tada srautas yra pastovus, kitaip netvirtas “. T. y., Pastovūs srautai bėgant laikui nesikeičia. Pastovaus srauto pavyzdys būtų vanduo, tekantis vamzdžiu pastoviu greičiu. Kita vertus, potvynis ar vanduo, pilamas iš senamadiško rankinio siurblio, yra netolygaus srauto pavyzdžiai.

Srautas taip pat gali būti sluoksninis arba turbulentinis. Laminarų srautai yra lygesni, o turbulentiniai srautai yra chaotiškesni. Vienas svarbus veiksnys nustatant skysčio srauto būseną yra jo klampumas arba storis, kai didesnis klampumas padidina srauto tendenciją būti sluoksniuotu. Jugos universiteto inžinerijos profesorius Patrick McMurtry aprašo savo internetinės klasės užrašų skirtumą „Stebėjimai apie turbulentinius srautus“ (Jutos universitetas, 2000 m.), Kuriame teigiama: „Laminariniu srautu mes paprastai turime omenyje sklandų, pastovų skysčio judesį, kuriame dėl santykinai stiprių klampių jėgų slopinami bet kokie sukrėtimai. Esant turbulenciniams srautams, kitos jėgos gali veikti priešingai nei klampumas. "

Laminarinis srautas yra pageidautinas daugeliu atvejų, pavyzdžiui, kanalizacijos sistemose ar lėktuvo sparnuose, nes jis yra efektyvesnis ir prarandama mažiau energijos. Turbulentinis srautas gali būti naudingas, norint priversti įvairius skysčius susimaišyti arba suvienodinti temperatūrą. Anot McDonough, dauguma interesų srautų yra neramūs; tačiau tokius srautus gali būti labai sunku numatyti išsamiai, ir atskirti šiuos du srautų tipus dažniausiai yra intuityvu.

Svarbus skysčio srauto veiksnys yra skysčio Reinoldso skaičius (Re), kuris pavadintas XIX amžiaus mokslininko Osborno Reynoldso vardu, nors pirmą kartą jį aprašė 1851 m. fizikas George'as Gabrielis Stokesas. McDonough pateikia apibrėžimą Re kaip „inercinių ir klampiųjų jėgų santykis“. Inercinė jėga yra skysčio atsparumas judesio pokyčiams, o klampi jėga - tai trinties dydis dėl skysčio klampumo ar storio. Prisimink tai Re yra ne tik skysčio savybė; tai taip pat apima jo tekėjimo sąlygas, tokias kaip jo greitis, vamzdyno dydis ir forma ar bet kokios kliūtys.

Žemai Re, srautas paprastai būna lygus arba sluoksniuotas, kol yra aukštas Re, srautas paprastai būna neramus, sudarydamas sūkurius ir sūkurius. Re gali būti naudojamas numatyti, kaip dujos ar skystis tekės aplink kliūtį sraute, pvz., vandens aplink tilto polių ar vėjo virš orlaivio sparno. Skaičius taip pat gali būti naudojamas numatyti greitį, kuriuo srautas pereina iš laminarinės į turbulentinę.

Skysčio srautas

Skysčio srauto tyrimas vadinamas hidrodinamika. Nors skysčiai apima visų rūšių medžiagas, tokias kaip aliejus ir cheminiai tirpalai, tačiau dažniausiai skystis yra vanduo, o dauguma hidrodinamikos taikymo sričių yra šio skysčio srauto valdymas. Tai apima potvynių kontrolę, miesto vandens ir kanalizacijos sistemų eksploatavimą ir laivybai tinkamų vandens kelių valdymą. [Galerija: Svajingi vaizdai atskleidžia fizikos grožį]

Hidrodinamika pirmiausia susijusi su vandens tekėjimu vamzdžiuose ar atviruose kanaluose. Geologijos profesoriaus Johno Southardo paskaitos iš internetinio kurso „Įvadas į skysčių judesius“ (Masačusetso technologijos institutas, 2006) išvados apibūdina pagrindinį skirtumą tarp vamzdžių srauto ir atvirojo kanalo srauto: „teka uždaruose kanaluose ar kanaluose, tokiuose kaip vamzdžiai ar oro ortakiai, visiškai liečiasi su griežtomis ribomis ", o„ atvirojo kanalo srautai, kita vertus, yra tie, kurių ribos nėra visiškai vientisa ir griežta medžiaga ". Jis teigia, kad „svarbūs atvirojo kanalo srautai yra upės, potvynio srovės, drėkinimo kanalai ar vandens lapeliai, nutekantys per žemės paviršių po lietaus“.

Dėl tų ribų skirtumų, skirtingos jėgos veikia dviejų tipų srautus. Anot Scott Post savo knygoje „Taikomoji ir skaičiavimo skysčių mechanika“ (Jones ir Bartlett, 2009), „Nors srautus uždarame vamzdyje gali sukelti slėgis arba sunkio jėga, srautus atviruose kanaluose lemia vien gravitacija. " Slėgis pirmiausia nustatomas pagal skysčio aukštį virš matavimo taško. Pavyzdžiui, daugumoje miesto vandens sistemų vandens bokštai palaikomi pastoviam slėgiui sistemoje. Šis aukščio skirtumas vadinamas hidrodinamine galva. Skystis iš vamzdžio taip pat gali būti priverstas tekėti greičiau arba esant didesniam slėgiui, naudojant mechaninius siurblius.

Srauto linijos atsiranda atliekant puspriekabės aerodinamikos dūmų bandymą vėjo tunelyje.

Srauto linijos atsiranda atliekant puspriekabės aerodinamikos dūmų bandymą vėjo tunelyje.

Kreditas: Lawrence'o Livermore'o nacionalinė laboratorija

Dujų srautas

Dujų srautas turi daug panašumų su skysčio srautu, tačiau jis taip pat turi keletą svarbių skirtumų. Pirma, dujos yra suspaudžiamos, o skysčiai paprastai laikomi nesuspaudžiamais. Straipsnyje „Suslėgto skysčio dinamikos pagrindai“ (Prentice-Hall, 2006) autorius P. Balachandranas aprašo suslėgtą skystį, sakydamas: „Jei skysčio tankis pastebimai pasikeičia visame srauto lauke, srautas gali būti traktuojamas kaip suslėgtas srautas. " Priešingu atveju skystis laikomas nesuspaudžiamu. Antra, dujų srautui sunkumų nedaro.

Dujos, su kuriomis dažniausiai susiduriama kasdieniame gyvenime, yra oras; todėl mokslininkai daug dėmesio skyrė jo tekėjimo sąlygoms. Vėjas sukelia oro judėjimą aplink pastatus ir kitus statinius, be to, jis gali judėti siurbliais ir ventiliatoriais.

Viena ypač svarbi sritis yra objektų judėjimas per atmosferą. Ši skysčio dinamikos šaka vadinama aerodinamika, kuri yra „kūnų, judančių dujų atžvilgiu, dinamika, ypač judančių objektų sąveika su atmosfera“, remiantis Amerikos paveldo žodynu. Šios srities problemos yra susijusios su automobilių kėbulų traukos mažinimu, efektyvesnių orlaivių ir vėjo turbinų projektavimu bei paukščių ir vabzdžių skraidymo tyrimais.

Bernulio principas

Paprastai skysčiams, judantiems didesniu greičiu, yra mažesnis slėgis nei skysčiams, judantiems mažesniu greičiu. Šį reiškinį pirmą kartą aprašė Danielis Bernoulli 1738 m. Savo knygoje „Hidrodinamika“ ir jis paprastai žinomas kaip Bernoulli principas. Jis gali būti naudojamas matuojant skysčio ar dujų, judančių vamzdyje, kanale arba per paviršių, greitį.

Šis principas taip pat susijęs su pakėlimu orlaivio sparne, todėl lėktuvai gali skristi. Kadangi sparnas yra plokščias apačioje ir išlenktas viršuje, oras turi judėti didesniu atstumu viršutiniu paviršiumi nei iš apačios. Norėdami tai padaryti, jis turi greičiau pereiti virš viršaus, todėl jo slėgis sumažės. Dėl to aukštesnio slėgio oras apačioje kyla sparnu.

Skysčių dinamikos problemos

Mokslininkai dažnai bando vizualizuoti srautą naudodamiesi figūromis, vadinamomis modernizavimais, ruoželiais ir maršrutais. „McDonough“ srautinę liniją apibūdina kaip „ištisinę liniją skysčio viduje taip, kad liestinė kiekviename taške yra greičio vektoriaus kryptis tame taške“. Kitaip tariant, srovės kryptis rodo srauto kryptį bet kuriame konkrečiame srauto taške. „McDonough“ teigimu, brūkšninė juosta yra „visų skysčio elementų, kurie anksčiau praeidavo per tam tikrą tašką, lokusas [vieta]“. Jis rašo, kad trajektorija (arba dalelių kelias) yra „atskiro skysčio elemento trajektorija“. Jei srautas bėgant laikui nesikeičia, trasa bus tokia pati kaip srautinė linija. Tačiau esant neramiam ar netolygiam srautui šios linijos gali būti gana skirtingos.

Dauguma skysčių dinamikos problemų yra pernelyg sudėtingos, kad būtų išspręstos tiesiogiai apskaičiuojant. Tokiais atvejais problemos turi būti išspręstos skaitiniais metodais, naudojant kompiuterinį modeliavimą. Ši tyrimo sritis vadinama skaitmenine ar skaičiavimo skysčių dinamika (CFD), kurią Southardas apibūdina kaip „kompiuterinio mokslo šaką, teikiančią skysčių srautų skaitmenines prognozes“. Tačiau kadangi turbulentinis srautas yra linijinis ir chaotiškas, todėl reikia būti ypač atsargiems nustatant šių modelių taisykles ir pradines sąlygas. Maži pokyčiai pradžioje gali sukelti didelių rezultatų skirtumų.

Modeliavimo tikslumą galima pagerinti padalijus tūrį į mažesnius regionus ir naudojant mažesnius laiko žingsnius, tačiau tai padidina skaičiavimo laiką. Dėl šios priežasties CFD turėtų tobulėti, kai padidėja skaičiavimo galia.

Jimas Lucasas yra laisvai samdomas rašytojas ir redaktorius, kurio specializacija yra fizika, astronomija ir inžinerija. Jis yra generalinis direktorius „Lucas Technologies“.

Papildomi resursai

  • NASA tunelių teniso kamuoliai
  • Mokslo ir technologijų apžvalga: aerodinaminio tempimo sumažinimas
  • Tarptautinė kosminė stotis: skysčių srauto modeliai


Vaizdo Papildas: .




Tyrimas


Kūno Kvapas Ir Smegenų Bangos: 5 Puikios Naujos Id Technologijos
Kūno Kvapas Ir Smegenų Bangos: 5 Puikios Naujos Id Technologijos

Kaip Veikia Ledo Skulptūra
Kaip Veikia Ledo Skulptūra

Mokslas Naujienos


„Vaikų Išbėrimo Kaltininkas“, Praneša Radiniai
„Vaikų Išbėrimo Kaltininkas“, Praneša Radiniai

Blogas Jaunimo Elgesys, Susijęs Su Karjeros Problemomis Vėliau
Blogas Jaunimo Elgesys, Susijęs Su Karjeros Problemomis Vėliau

Žmonės Gali Sąmoningai Kontroliuoti Protinę Veiklą Naudodamiesi Smegenų Skenavimu
Žmonės Gali Sąmoningai Kontroliuoti Protinę Veiklą Naudodamiesi Smegenų Skenavimu

Kamieninėse Ląstelėse Randami Lyčių Skirtumai
Kamieninėse Ląstelėse Randami Lyčių Skirtumai

Nauja Greitaeigio, Tvaraus Sraigtasparnio Koncepcija Sukasi Į Oro Šou
Nauja Greitaeigio, Tvaraus Sraigtasparnio Koncepcija Sukasi Į Oro Šou


LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com