Жаңа

Сұйықтық динамикасы деген не екенін түсіну

Сұйықтық динамикасы деген не екенін түсіну

Сұйықтықтың динамикасы бұл екі сұйықтық бір-бірімен байланысқа түсетіндіктен олардың өзара әрекеттесуін қоса сұйықтардың қозғалысын зерттеу. Бұл тұрғыда «сұйықтық» термині сұйық немесе газға қатысты. Бұл өзара әрекеттесулерді кең көлемде талдауға, сұйықтықтарды заттың үздіксіздігі ретінде қарастыруға және тұтастай алғанда сұйық немесе газдың жеке атомдардан тұратындығын елемеуге макроскопиялық, статистикалық тәсіл.

Сұйықтық динамикасы екі негізгі саланың бірі болып табылады сұйықтық механикасы, басқа филиалы барсұйықтық статикасы,демалыс кезінде сұйықтықтарды зерттеу. (Мүмкін, таңқаларлық емес, сұйықтықтың статикасы көбінесе сұйықтық динамикасына қарағанда сәл қызықты деп санауы мүмкін.)

Сұйық динамиканың негізгі түсініктері

Әр тәртіпті оның қалай жұмыс істейтіндігін түсіну үшін маңызды ұғымдарды қамтиды. Сұйықтықтың динамикасын түсіну кезінде кездесетін негізгі кейбіреулер.

Сұйықтықтың негізгі принциптері

Сұйық статикада қолданылатын сұйықтық туралы ұғымдар қозғалыстағы сұйықтықты зерттеген кезде де пайда болады. Сұйықтық механикасындағы ең алғашқы түсінік - Архимед ашқан ежелгі Грецияда ашылған суға қатысты.

Сұйықтық ағып жатқан кезде, сұйықтықтың тығыздығы мен қысымы олардың өзара әрекеттесетінін түсіну үшін де маңызды. Тұтқырлық сұйықтықтың өзгеруіне қаншалықты төзімді екенін анықтайды, сондықтан сұйықтықтың қозғалысын зерттеуде де маңызы зор. Міне, осы талдауларда пайда болатын бірнеше ауыспалы мәліметтер:

  • Жаппай тұтқырлық:μ
  • Тығыздығы:ρ
  • Кинематикалық тұтқырлық:ν = μ / ρ

Ағын

Сұйықтықтың динамикасы сұйықтықтың қозғалысын зерттеуді қамтығандықтан, түсіну керек алғашқы ұғымдардың бірі - физиктер бұл қозғалысты қалай өлшейтіндігі. Физиктер сұйықтық қозғалысының физикалық қасиеттерін сипаттау үшін қолданады ағын. Ағын сұйықтық қозғалысының кең спектрін сипаттайды, мысалы ауа арқылы үрлеу, құбыр арқылы ағу немесе беткеймен жүгіру. Сұйықтық ағыны әртүрлі сипаттамаларға негізделеді, ағымның әр түрлі қасиеттеріне негізделген.

Тұрақты емес тұрақсыз ағын

Егер сұйықтықтың қозғалысы уақыт өте келе өзгермесе, ол а деп саналады тұрақты ағын. Бұл ағынның барлық қасиеттері уақытқа қатысты өзгеріссіз қалатын жағдаймен анықталады немесе кезекпен ағын өрісінің уақыттық туындылары жоғалып кетеді деп айтуға болады. (Туынды түсіну туралы көбірек білу үшін есептеулерді қараңыз.)

А тұрақты ағын уақытқа тәуелді емес, өйткені сұйықтықтың барлық қасиеттері (ағынның қасиеттері ғана емес) сұйықтықтың әр нүктесінде тұрақты болып қалады. Сонымен, егер сізде тұрақты ағын болса, бірақ сұйықтықтың қасиеттері белгілі бір уақытта өзгерді (мүмкін, сұйықтықтың кейбір бөліктерінде уақытқа байланысты шашырау туғызатын тосқауыл болғандықтан), онда сіз тұрақты ағынға ие боласыз емес тұрақты ағын.

Барлық тұрақты ағындар мысал бола алады. Тікелей құбыр арқылы тұрақты жылдамдықпен ағатын ток тұрақты ағынның мысалы бола алады (сонымен қатар тұрақты ағын).

Егер ағынның өзі уақыт өте келе өзгеретін қасиеттерге ие болса, онда ол деп аталады тұрақсыз ағын немесе а өтпелі ағын. Дауыл кезінде қоқысқа құйылатын жаңбыр тұрақсыз ағынның мысалы болып табылады.

Әдетте, тұрақты ағындар тұрақсыз ағындарға қарағанда проблемаларды шешуді жеңілдетеді, бұл уақытқа байланысты ағынның өзгеруін ескеру қажет емес және уақыт өте келе өзгеретін нәрсе. әдетте жағдайды қиындатады.

Ламинар ағыны және турбулентті ағын

Сұйықтың тегіс ағымы болады дейді ламинарлық ағын. Хаотикалық, сызықтық емес қозғалысты қамтитын ағын дейді турбулентті ағын. Анықтама бойынша турбулентті ағын тұрақсыз ағынның бір түрі болып табылады.

Ағындардың екі түрі де өңдеулер, құйындар және әр түрлі айналымдардан тұруы мүмкін, дегенмен мұндай мінез-құлықтардың көп болуы ағынды турбулентті деп жіктеу мүмкін.

Ағынның ламинарлы немесе турбулентті болуы арасындағы айырмашылық, әдетте, байланысты Рейнольдс саны (Қайта). Рейнольдс санын алғаш рет 1951 жылы физик Джордж Габриэль Стокс есептеген, бірақ ол 19 ғасырдағы ғалым Осборн Рейнольдстің есімімен аталған.

Рейнольдс саны тек сұйықтықтың өзіне ғана емес, сонымен бірге инерциалды күштердің тұтқыр күштерге қатынасы ретінде алынған ағымының жағдайына да байланысты:

Қайта = Инерциялық күш / тұтқыр күштер
Қайта = (ρ V dV/dx) / (μ д2V / dx2)

DV / dx термині жылдамдықтың градиенті (немесе жылдамдықтың алғашқы туындысы), ол жылдамдыққа пропорционал (V) бөлінген L, ұзындық шкаласын білдіреді, нәтижесінде dV / dx = V / L болады. Екінші туынды - d2V / dx2 = V / L2. Оларды бірінші және екінші туындыларға ауыстыру нәтижесінде:

Қайта = (V V V/L) / (м V/L2)
Re = (ρ V L) / μ

Сонымен қатар L ұзындығының шкаласы бойынша бөлуге болады, нәтижесінде а Рейнольдс бір футтың саны, деп белгіленген Re f = Vν.

Рейнольдстың төмен саны тегіс, ламинарлық ағынды көрсетеді. Рейнольдс санының көп болуы ағындар мен құйындарды көрсететін ағынды білдіреді және әдетте одан да қатты болады.

Құбыр ағыны және ашық каналды ағын

Құбыр ағыны Құбыр арқылы өтетін су (демек «құбыр ағыны») немесе ауа түтігі арқылы өтетін ауа сияқты барлық жағынан қатаң шекаралармен байланыста болатын ағынды білдіреді.

Ағынды канал ағынды қатаң шекарамен байланыспайтын, кем дегенде бір бос беті болған жағдайда сипаттайды. (Техникалық тұрғыдан алғанда, бос жер бетінде 0 параллель кернеу бар.) Ағынды ағынды жағдайларға өзен арқылы өтетін су, тасқын, жаңбыр кезінде ағып жатқан су, толқындар ағымы және суару арналары жатады. Бұл жағдайларда су ауамен байланыста болатын ағынды судың беті ағынның «еркін бетін» білдіреді.

Құбырдағы ағындар қысым немесе ауырлық күшімен қозғалады, бірақ ашық каналды жағдайларда ағындар тек ауырлық күшімен қозғалады. Мұнда мұнарадағы судың көтерілу айырмашылығы болуы үшін қалалық су жүйелері мұнараларды жиі пайдаланады.гидродинамикалық бас) қысымның дифференциациясын жасайды, ол жүйеге қажетті жерлерге су алу үшін механикалық сорғылармен реттеледі.

Сығылмайтын және қысылмайтын

Газдар көбінесе сығылатын сұйықтықтар ретінде қарастырылады, өйткені олардың құрамындағы көлем азаяды. Ауа өткізгішті екі есе азайтуға болады және бұрынғыдай бірдей мөлшерде газ өткізеді. Газ ауа түтігі арқылы өтетін кезде, кейбір аймақтарда басқа аймақтарға қарағанда тығыздығы жоғары болады.

Жалпы ереже бойынша, сығылмайтын дегеніміз сұйықтықтың кез-келген аймағының тығыздығы ағым арқылы қозғалатын уақыт ретінде өзгермейді. Әрине, сұйықтықты сығуға болады, бірақ сығымдалуға болатын шектеулер көп. Осы себепті, әдетте, сұйықтықтар оны сезінбейтін етіп модельдейді.

Бернулли принципі

Бернулли принципі бұл сұйықтық динамикасының тағы бір маңызды элементі, Даниэль Бернуллидің 1738 кітабында жарияланғанГидродинамика. Қарапайым сөзбен айтқанда, бұл сұйықтықтағы жылдамдықтың жоғарылауы қысымның немесе потенциалдың төмендеуімен байланысты. Сығылмайтын сұйықтық үшін мұны белгілі нәрсені пайдаланып сипаттауға болады Бернулли теңдеуі:

(v2/2) + gz + б/ρ = тұрақты

Қайда ж ауырлық күшіне байланысты үдеу, ρ бұл сұйықтықтағы қысым,v сұйықтық ағынының жылдамдығы, z сол кездегі биіктік, және б сол кездегі қысым. Бұл сұйықтық ішінде тұрақты болғандықтан, бұл теңдеулер кез-келген екі нүктені, 1 және 2-ді келесі теңдеумен байланыстыра алады дегенді білдіреді:

(v12/2) + gz1 + б1/ρ = (v22/2) + gz2 + б2/ρ

Биіктікке негізделген сұйықтықтың қысым мен потенциалдық энергиясы арасындағы байланыс Паскаль заңымен де байланысты.

Сұйықтық динамикасын қолдану

Жер бетінің үштен екісі су және планета атмосфера қабаттарымен қоршалған, сондықтан біз барлық уақытта сұйықтықтармен қоршалғанбыз ... әрдайым қозғалыста.

Бұл туралы аздап ойлана отырып, ғылыми тұрғыдан оқып, түсіну үшін қозғалатын сұйықтықтардың өзара әрекеттесуі көп болатыны анық. Бұл жерде сұйықтық динамикасы пайда болады, сондықтан сұйықтық динамикасының тұжырымдамаларын қолданатын өрістер жетіспейді.

Бұл тізім толық емес, бірақ физика пәнін зерттеуде сұйықтық динамикасының бірнеше мамандандыруларда пайда болу жолдары туралы жақсы шолуды ұсынады:

  • Мұхиттану, метеорология және климат туралы ғылым - Атмосфера сұйықтық ретінде модельденетін болғандықтан, ауа-райының заңдылықтары мен климаттық тенденцияларды түсіну және болжау үшін маңызды атмосфералық ғылым мен мұхит ағымдарын зерттеу сұйықтықтың динамикасына қатты тәуелді.
  • Аэронавтика - Сұйықтық динамикасының физикасы тартылу және көтеру үшін ауа ағындарын зерттеуді қамтиды, бұл өз кезегінде ауаға қарағанда ауыр ұшуға мүмкіндік беретін күштерді тудырады.
  • Геология және геофизика - Плиталық тектоника қыздырылған заттың Жердің сұйық ядросының ішіндегі қозғалысын зерттеуді қамтиды.
  • Гематология және гемодинамика -Қанды биологиялық зерттеу оның қан тамырлары арқылы айналымын зерттеуді қамтиды, қан айналымын сұйықтық динамикасы әдістерін қолдана отырып модельдеуге болады.
  • Плазма физикасы - Сұйық та, газ да емес, плазма көбінесе сұйықтыққа ұқсас әрекет етеді, сондықтан оны сұйықтық динамикасы арқылы да модельдеуге болады.
  • Астрофизика және космология - Жұлдыздар эволюциясы процесі уақыт өте келе жұлдыздардың өзгеруін қамтиды, бұл жұлдыздарды құрайтын плазманың уақыт ішінде қалай жылжып, қалай әсер ететінін зерттеу арқылы түсінуге болады.
  • Жол қозғалысын талдау - Мүмкін, сұйықтық динамикасының таңқаларлық қосымшаларының бірі - көлік қозғалысының қозғалысын, жаяу жүргіншілердің қозғалысын түсіну. Трафик жеткілікті тығыз болған жерлерде, бүкіл қозғалыс денесін сұйықтық ағынына шамалас түрде ұқсас болатындай біртұтас тұлға ретінде қарастыруға болады.

Сұйық динамиканың баламалы атаулары

Сұйықтықтың динамикасы кейде солай аталады гидродинамика, дегенмен бұл тарихи термин. ХХ ғасырда «сұйықтық динамикасы» тіркесі әлдеқайда жиі қолданыла бастады.

Техникалық тұрғыдан гидродинамика деп сұйықтық динамикасы сұйықтыққа қозғалыстағы және аэродинамика сұйықтық динамикасы қозғалыстағы газдарға қолданылған кезде болады.

Алайда, іс жүзінде гидродинамикалық тұрақтылық және магнетогидродинамика сияқты мамандандырылған тақырыптар «гидро-» префиксін газдар қозғалысына қолданғанда да қолданады.


Video, Sitemap-Video, Sitemap-Videos