Понимание того, что такое гидродинамика

Динамика жидкости - это исследование движения жидкостей, включая их взаимодействие, когда две жидкости вступают в контакт друг с другом. В этом контексте термин «жидкость» относится либо к жидкость или газы. Это макроскопический, статистический подход к анализу этих взаимодействий в больших масштабах, просмотр жидкостей как континуум материи и вообще игнорируя тот факт, что жидкость или газ состоит из отдельных атомы.

Гидродинамика является одной из двух основных ветвей гидромеханикас другой ветвью гидродинамика, изучение жидкостей в покое. (Возможно, неудивительно, что статические характеристики жидкости в большинстве случаев можно считать немного менее захватывающими, чем динамические характеристики жидкости.)

Каждая дисциплина включает в себя концепции, которые имеют решающее значение для понимания того, как она работает. Вот некоторые из основных, с которыми вы столкнетесь, пытаясь понять динамику жидкости.

Понятия флюида, которые применяются в статике флюида, также вступают в игру при изучении флюида, находящегося в движении. Довольно ранняя концепция в механике жидкости - это

По мере протекания жидкости плотность и давление жидкости также имеют решающее значение для понимания того, как они будут взаимодействовать. вязкость определяет, насколько устойчива жидкость к изменению, поэтому она также важна при изучении движения жидкости. Вот некоторые из переменных, которые встречаются в этих анализах:

• Объемная вязкость: μ
• Плотность: ρ
• Кинематическая вязкость: ν = μ / ρ

Поскольку динамика жидкости включает изучение движения жидкости, одним из первых понятий, которые необходимо понять, является то, как физики количественно определяют это движение. Термин, который физики используют для описания физических свойств движения жидкости, течь. Поток описывает широкий диапазон движения жидкости, такой как продувка через воздух, через трубу или бег по поверхности. Поток жидкости классифицируется различными способами, основываясь на различных свойствах потока.

Если движение жидкости не изменяется с течением времени, это считается установившееся течение. Это определяется ситуацией, когда все свойства потока остаются постоянными по времени или, наоборот, можно говорить о том, что производные по времени поля потока обращаются в нуль. (Проверьте исчисление для получения дополнительной информации о понимании производных.)

установившийся поток еще менее зависит от времени, потому что все свойства жидкости (а не только свойства потока) остаются постоянными в каждой точке жидкости. Так что, если у вас был устойчивый поток, но свойства самой жидкости изменились в какой-то момент (возможно, из-за барьер, вызывающий зависящую от времени рябь в некоторых частях жидкости), тогда у вас будет устойчивый поток, который не установившийся поток.

Однако все стационарные потоки являются примерами устойчивых потоков. Ток, протекающий с постоянной скоростью через прямую трубу, был бы примером стационарного потока (а также устойчивого потока).

Если сам поток имеет свойства, которые со временем меняются, то он называется неустановившийся поток или переходный поток. Дождь, стекающий в канаву во время шторма, является примером нестационарного потока.

Как правило, устойчивые потоки облегчают решение проблем, чем нестационарные потоки, чего и следовало ожидать, учитывая, что Изменения в потоке, зависящие от времени, не должны приниматься во внимание, а вещи, которые меняются со временем, обычно делают вещи более сложный.

Говорят, что плавный поток жидкости имеет ламинарный поток. Говорят, что поток, который содержит, казалось бы, хаотическое, нелинейное движение турбулентный поток. По определению турбулентный поток - это тип нестационарного потока.

Оба типа потоков могут содержать вихри, вихри и различные типы рециркуляции, хотя чем больше таких поведений существует, тем больше вероятность того, что поток будет классифицирован как турбулентный.

Различие между тем, является ли поток ламинарным или турбулентным, обычно связано с Число Рейнольдса (ре). Число Рейнольдса было впервые рассчитано в 1951 году физиком Джорджем Габриэлем Стоуксом, но оно названо в честь ученого XIX века Осборна Рейнольдса.

Число Рейнольдса зависит не только от специфики самой жидкости, но и от условий ее течения, получаемых как отношение сил инерции к силам вязкости следующим образом:

ре = Сила инерции / вязкие силы

ре = (ρВдУ/дх) / (μ d²В / дх²)

Термин dV / dx является градиентом скорости (или первой производной скорости), который пропорционален скорости (В) деленное на L, представляющий масштаб длины, приводящий к dV / dx = V / L. Вторая производная такова, что d²В / дх² = V / L². Замена их на первое и второе производные приводит к:

ре = (ρ V V/L) / (мкВ/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Вы также можете разделить на шкалу длины L, в результате чего Число Рейнольдса на фут, обозначенный как Re f = В / ν.

Низкое число Рейнольдса указывает на гладкое ламинарное течение. Высокое число Рейнольдса указывает на поток, который будет демонстрировать вихри и вихри и, как правило, будет более турбулентным.

Трубный поток представляет собой поток, который находится в контакте с жесткими границами со всех сторон, например, вода движется по трубе (отсюда и название «поток по трубе») или воздух движется по воздуховоду.

Открытый канал потока описывает течение в других ситуациях, когда имеется по меньшей мере одна свободная поверхность, которая не находится в контакте с жесткой границей. (В техническом плане свободная поверхность имеет 0 параллельных сдвиговых напряжений.) Случаи потока в открытом канале включают вода течет через реку, наводнения, вода течет во время дождя, приливных течений и ирригационных каналов. В этих случаях поверхность проточной воды, где вода находится в контакте с воздухом, представляет собой «свободную поверхность» потока.

Потоки в трубе приводятся в действие давлением или силой тяжести, но потоки в открытых каналах управляются исключительно силой тяжести. Городские системы водоснабжения часто используют водонапорные башни, чтобы воспользоваться этим, так что перепад высот воды в башне ( гидродинамическая головка) создает перепад давления, который затем регулируется механическими насосами для подачи воды в места в системе, где они необходимы.

Газы обычно рассматриваются как сжимаемые жидкости, потому что объем, который их содержит, может быть уменьшен. Воздуховод может быть уменьшен наполовину по размеру и при этом может нести такое же количество газа с той же скоростью. Даже когда газ протекает через воздуховод, некоторые области будут иметь более высокую плотность, чем другие области.

Как правило, несжимаемость означает, что плотность любой области жидкости не изменяется в зависимости от времени при ее движении в потоке. Жидкости также могут быть сжаты, конечно, но существует больше ограничений на степень сжатия. По этой причине жидкости обычно моделируются так, как если бы они были несжимаемыми.

Принцип Бернулли является еще одним ключевым элементом динамики жидкости, опубликованной в книге Даниэля Бернулли 1738 года Гидродинамику. Проще говоря, это связывает увеличение скорости в жидкости с уменьшением давления или потенциальной энергии. Для несжимаемых жидкостей это может быть описано с использованием так называемого Уравнение Бернулли:

(v²/2) + GZ + п/ρ = постоянная

где грамм ускорение силы тяжести, ρ давление во всей жидкости, v скорость потока жидкости в данной точке, Z высота в этой точке, и п это давление в этой точке. Поскольку в жидкости она постоянна, это означает, что эти уравнения могут связывать любые две точки, 1 и 2, со следующим уравнением:

(v₁²/2) + GZ₁ + п₁/ρ = (v₂²/2) + GZ₂ + п₂/ρ

Соотношение между давлением и потенциальной энергией жидкости, основанное на возвышении, также связано с помощью закона Паскаля.

Две трети поверхности Земли составляют вода, а планета окружена слоями атмосферы, поэтому мы буквально всегда окружены жидкостями... почти всегда в движении.

Подумав об этом немного, это делает совершенно очевидным, что было бы много взаимодействий движущихся жидкостей для нас, чтобы изучать и понимать с научной точки зрения. Конечно, здесь и возникает динамика жидкости, поэтому нет недостатка в областях, в которых применяются концепции динамики жидкости.

Этот список не является исчерпывающим, но дает хороший обзор того, как динамика жидкости проявляется при изучении физики по ряду специальностей:

• Океанография, метеорология и климатология - Поскольку атмосфера моделируется как жидкости, изучение атмосферных наук и Океанские теченияКрайне важно для понимания и прогнозирования погодных условий и климатических тенденций, в значительной степени зависит от динамики жидкости.
• воздухоплавание - Физика гидродинамики включает изучение потока воздуха для создания сопротивления и подъема, которые, в свою очередь, генерируют силы, которые позволяют полет тяжелее воздуха.
• Геология и геофизика - Тектоника плит включает в себя изучение движения нагретого вещества в жидком ядре Земли.
• Гематология и Гемодинамика -Биологическое исследование крови включает изучение ее кровообращения через кровеносные сосуды, а кровообращение можно моделировать с помощью методов гидродинамики.
• Физика плазмы - Хотя ни жидкости, ни газа, плазма часто ведет себя так, как жидкости, так что может быть смоделировано с помощью динамики жидкости.
• Астрофизика и космология - Процесс звездной эволюции включает в себя смену звезд во времени, что можно понять, изучив, как плазма, которая составляет звезды, течет и взаимодействует внутри звезды во времени.
• Анализ трафика - Возможно, одно из самых удивительных применений гидродинамики - это понимание движения транспорта, как автомобильного, так и пешеходного. В областях, где трафик является достаточно плотным, весь объем трафика может рассматриваться как единый объект, который ведет себя примерно так, что он достаточно похож на поток жидкости.

Динамика жидкости также иногда упоминается как гидродинамикахотя это скорее исторический термин. На протяжении всего двадцатого века фраза «динамика жидкости» стала использоваться гораздо чаще.

Технически было бы более уместно сказать, что гидродинамика - это когда гидродинамика применяется к жидкостям в движении и аэродинамика это когда динамика жидкости применяется к газам в движении.

Однако на практике специализированные темы, такие как гидродинамическая устойчивость и магнитная гидродинамика, используют префикс «гидро», даже когда они применяют эти понятия к движению газов.