Akışkanlar Dinamiğinin Ne Olduğunu Anlama

Akışkanlar dinamiği, iki akışkanın birbiriyle temas etmesiyle etkileşimleri de dahil olmak üzere akışkanların hareketinin incelenmesidir. Bu bağlamda, "sıvı" terimi, sıvı veya gazlar. Bu etkileşimleri geniş ölçekte analiz etmek, sıvıları incelemek için makroskopik, istatistiksel bir yaklaşımdır. maddenin bir sürekliliği olarak ve genellikle sıvı veya gazın bireyden oluştuğunu görmezden gelmek atomu içerir.

Akışkanlar dinamiği, akışkanlar mekaniği, diğer şube akışkan statik, dinlenme sırasında sıvıların incelenmesi. (Belki de şaşırtıcı olmayan bir şekilde, sıvı statik değerleri çoğu zaman sıvı dinamiklerinden biraz daha az heyecan verici olarak düşünülebilir.)

Her disiplin, nasıl işlediğini anlamak için çok önemli kavramları içerir. İşte akışkan dinamiğini anlamaya çalışırken karşılaşacağınız başlıcalardan bazıları.

Akışkan statikinde uygulanan akışkan kavramları, hareket halinde olan akışkanı incelerken de devreye girer. Akışkanlar mekaniğinde en eski konsept,

Sıvılar akarken, yoğunluk ve basınç Sıvıların nasıl etkileşime gireceklerini anlamak için de çok önemlidir. viskozite sıvının değişmeye ne kadar dirençli olduğunu belirler, bu nedenle sıvının hareketini incelemek için de gereklidir. Bu analizlerde ortaya çıkan değişkenlerden bazıları:

• Dökme viskozitesi: μ
• Yoğunluk: ρ
• Kinematik viskozite: ν = μ / ρ

Akışkanlar dinamiği akışkanın hareketinin incelenmesini içerdiğinden, anlaşılması gereken ilk kavramlardan biri fizikçilerin bu hareketi nasıl ölçtüğüdür. Fizikçilerin sıvı hareketinin fiziksel özelliklerini tanımlamak için kullandıkları terim akış. Akış, havada üfleme, bir borudan akma veya bir yüzey boyunca akma gibi çok çeşitli sıvı hareketlerini tanımlar. Bir akışkanın akışı, akışın çeşitli özelliklerine bağlı olarak çeşitli farklı yollarla sınıflandırılır.

Sıvının hareketi zamanla değişmezse, sürekli akış. Bu, akışın tüm özelliklerinin zamana göre sabit kaldığı veya dönüşümlü olarak akış alanının zaman türevlerinin kaybolduğunu söyleyerek söylenebilecek bir durumla belirlenir. (Türevleri anlama hakkında daha fazla bilgi için analize bakın.)

bir kararlı durum akışı daha az zamana bağımlıdır, çünkü tüm akışkan özellikleri (sadece akış özellikleri değil), akışkan içindeki her noktada sabit kalır. Sabit bir akışınız varsa, ancak sıvının kendisinin özellikleri bir noktada değişti (muhtemelen sıvının bazı kısımlarında zamana bağlı dalgalanmalara neden olan bir bariyer), o zaman sabit bir akışınız olur. değil kararlı durum akışı.

Bununla birlikte, bütün kararlı durum akışları, kararlı akışların örnekleridir. Düz bir borudan sabit bir hızda akan bir akım, kararlı bir durum akışına (ve ayrıca sabit bir akışa) bir örnek olacaktır.

Akışın kendisi zamanla değişen özelliklere sahipse, buna bir kararsız akış veya bir geçici akış. Fırtına sırasında bir oluğa akan yağmur, istikrarsız akışa bir örnektir.

Genel bir kural olarak, sabit akışlar, başa çıkmak için kararsız akışlardan daha kolay sorunlara yol açar; akıştaki zamana bağlı değişikliklerin hesaba katılmasına gerek yoktur ve zamanla değişen şeyler tipik olarak işleri daha fazla yapacaktır karmaşık.

Düzgün bir sıvı akışının laminer akış. Görünüşte kaotik, doğrusal olmayan hareket içeren akışın türbülanslı akış. Tanım olarak, çalkantılı bir akış bir tür kararsız akıştır.

Her iki akış türü de girdaplar, girdaplar ve çeşitli devridaim türleri içerebilir, ancak bu tür davranışlar ne kadar çok olursa, akış türbülanslı olarak sınıflandırılır.

Bir akışın laminer mi yoksa türbülanslı mı olduğu arasındaki ayrım genellikle Reynolds sayısı (Yeniden). Reynolds sayısı ilk olarak 1951'de fizikçi George Gabriel Stokes tarafından hesaplandı, ancak adını 19. yüzyıl bilim adamı Osborne Reynolds'dan alıyor.

Reynolds sayısı, sadece sıvının kendisinin özelliklerine değil, aynı zamanda atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranı olarak elde edilen akış koşullarına da bağlıdır:

Yeniden = Atalet kuvveti / Viskoz kuvvetler

Yeniden = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

DV / dx terimi, hız ile orantılı olan hızın (veya hızın ilk türevinin) gradyanıdır (V) bölü LdV / dx = V / L ile sonuçlanan bir uzunluk ölçeğini temsil eder. İkinci türev, d²V / dx² = V / L². Bunların birinci ve ikinci türevler için ikame edilmesi şunlarla sonuçlanır:

Yeniden = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Ayrıca uzunluk ölçeği L ile bölebilirsiniz. Ayak başına Reynolds sayısıolarak belirtilir Yeniden f = V / ν.

Düşük bir Reynolds sayısı düzgün, laminer akışı gösterir. Yüksek bir Reynolds sayısı, girdapları ve girdapları gösterecek ve genellikle daha çalkantılı olacak bir akışı gösterir.

Boru akışı "Borunun" adı geçen bir boru (yani "boru akışı" adı) veya bir hava kanalı boyunca hareket eden hava gibi her tarafta sert sınırlarla temas halinde olan bir akışı temsil eder.

Açık kanal akışı "Sert sınır" ile temas etmeyen en az bir serbest yüzeyin olduğu diğer durumlarda akışı tarif eder. (Teknik açıdan, serbest yüzeyin 0 paralel şeffaf gerilimi vardır.) Açık kanal akışı vakaları şunları içerir: nehirden akan su, seller, yağmur sırasında akan su, gelgit akıntıları ve sulama kanalları. Bu durumlarda, suyun havayla temas ettiği akan suyun yüzeyi, akışın "serbest yüzeyini" temsil eder.

Bir borudaki akışlar basınç veya yerçekimi tarafından yönlendirilir, ancak açık kanal durumlarındaki akışlar yalnızca yerçekimi tarafından yönlendirilir. Şehir su sistemleri bundan yararlanmak için genellikle su kuleleri kullanır, böylece kuledeki suyun yükseklik farkı ( hidrodinamik kafa) basınç farkı yaratır ve daha sonra sistemde gerekli olan yerlere su almak için mekanik pompalarla ayarlanır.

Gazlar genellikle sıkıştırılabilir sıvılar olarak muamele görür, çünkü bunları içeren hacim azaltılabilir. Bir hava kanalı boyutunun yarısı kadar küçültülebilir ve yine de aynı miktarda aynı miktarda gaz taşır. Gaz hava kanalından akarken bile, bazı bölgeler diğer bölgelere göre daha yüksek yoğunluklara sahip olacaktır.

Genel bir kural olarak, sıkıştırılamaz olmak, sıvının herhangi bir bölgesinin yoğunluğunun, akış boyunca hareket ettikçe zamanın bir fonksiyonu olarak değişmediği anlamına gelir. Sıvılar da elbette sıkıştırılabilir, ancak yapılabilecek sıkıştırma miktarında daha fazla sınırlama vardır. Bu nedenle sıvılar tipik olarak sıkıştırılamaz gibi modellenir.

Bernoulli ilkesi Daniel Bernoulli'nin 1738 kitabında yayınlanan akışkan dinamiğinin bir başka kilit unsurudur Hidrodinamik. Basitçe söylemek gerekirse, bir sıvıdaki hız artışını basınçta veya potansiyel enerjide bir azalma ile ilişkilendirir. Sıkıştırılamayan sıvılar için, bu, bilinen maddeler kullanılarak tarif edilebilir. Bernoulli denklemi:

(v²/2) + gz + p/ρ = sabit

Nerede g yer çekiminden kaynaklanan ivmedir, ρ sıvı boyunca basınçtır, v belirli bir noktadaki sıvı akış hızıdır, z o noktadaki yükseklik ve p o noktadaki baskıdır. Bu bir sıvı içinde sabit olduğu için, bu denklemlerin 1 ve 2 olmak üzere iki noktayı aşağıdaki denklemle ilişkilendirebileceği anlamına gelir:

(v₁²/2) + gz₁ + p₁/ρ = (v₂²/2) + gz₂ + p₂/ρ

Yüksekliğe dayalı olarak bir sıvının basıncı ile potansiyel enerjisi arasındaki ilişki Pascal Kanunu ile de ilişkilidir.

Dünya yüzeyinin üçte ikisi sudur ve gezegen atmosfer katmanlarıyla çevrilidir, bu yüzden tam anlamıyla sıvılarla çevrilidir... neredeyse her zaman hareket halinde.

Biraz düşündüğümüzde, bu, hareket eden sıvıların bilimsel olarak çalışmamız ve anlamamız için birçok etkileşimin olacağını açıkça ortaya koyuyor. Akışkan dinamiği burada devreye girer, bu yüzden akışkan dinamiğinden kavramları uygulayan alan sıkıntısı yoktur.

Bu liste hiç de kapsamlı değildir, ancak bir dizi uzmanlıktaki fizik çalışmasında sıvı dinamiklerinin ortaya çıkma yollarına iyi bir genel bakış sağlar:

• Oşinografi, Meteoroloji ve İklim Bilimi - Atmosfer akışkanlar olarak modellendiğinden, atmosfer bilimi ve okyanus akıntıları, hava modellerini ve iklim eğilimlerini anlamak ve tahmin etmek için çok önemli olan, büyük ölçüde akışkan dinamiğine dayanmaktadır.
• havacılık - Akışkan dinamiğinin fiziği, hava akışını inceleyerek sürükleme ve kaldırma işlemlerini içerir ve bu da havadan daha ağır uçuşa izin veren kuvvetleri oluşturur.
• Jeoloji ve Jeofizik - Levha tektoniği ısıtılan maddenin Dünya'nın sıvı çekirdeğindeki hareketini incelemeyi içerir.
• Hematoloji ve Hemodinamik -Kanın biyolojik çalışması, kan damarları yoluyla dolaşımının incelenmesini içerir ve kan dolaşımı sıvı dinamiği yöntemleri kullanılarak modellenebilir.
• Plazma Fiziği - Ne sıvı ne de gaz olsa da, plazma genellikle sıvılara benzer şekilde davranır, bu nedenle sıvı dinamikleri kullanılarak da modellenebilir.
• Astrofizik ve Kozmoloji - Yıldızların evrimi süreci, yıldızları oluşturan plazmanın zaman içinde yıldız içinde nasıl aktığını ve etkileştiğini inceleyerek anlaşılabilen yıldızların zaman içindeki değişimini içerir.
• Trafik Analizi - Akışkan dinamiğinin belki de en şaşırtıcı uygulamalarından biri, hem taşıt hem de yaya trafiğinin trafiğini anlamaktır. Trafiğin yeterince yoğun olduğu bölgelerde, tüm trafik gövdesi, bir akışkanın akışına kabaca benzer şekilde davranan tek bir varlık olarak ele alınabilir.

Sıvı dinamikleri bazen hidrodinamik, bu daha tarihsel bir terim olmasına rağmen. Yirminci yüzyıl boyunca, "akışkan dinamiği" ifadesi çok daha yaygın bir şekilde kullanılmıştır.

Teknik olarak, hidrodinamiğin hareket halindeki sıvılara sıvı dinamiği uygulandığında ve aerodinamik Hareket halindeki gazlara akışkan dinamiği uygulandığı zamandır.

Bununla birlikte, uygulamada, hidrodinamik kararlılık ve manyetohidrodinamik gibi özel konular, bu kavramları gazların hareketine uygularken bile "hidro-" önekini kullanır.