Wat Is Fluid Dynamics?

{h1}

Vloeistofdynamica is de studie van de beweging van vloeistoffen en gassen. Vloeistofdynamica is van toepassing op vele gebieden, waaronder astronomie, biologie, engineering en geologie.

Fluid dynamics is "de tak van de toegepaste wetenschap die zich bezighoudt met de beweging van vloeistoffen en gassen," volgens de American Heritage Dictionary. Vloeiende dynamica is een van de twee takken van de vloeistofmechanica, die de studie is van vloeistoffen en hoe krachten deze beïnvloeden. (De andere tak is vloeiende statica, die zich bezighoudt met vloeistoffen in rust.)

Wetenschappers op verschillende gebieden bestuderen de vloeistofdynamica. Fluid dynamics biedt methoden voor het bestuderen van de evolutie van sterren, zeestromingen, weerpatronen, plaattektoniek en zelfs de bloedcirculatie. Enkele belangrijke technologische toepassingen van vloeistofdynamica zijn raketmotoren, windturbines, oliepijpleidingen en airconditioningsystemen.

Wat is flow?

De beweging van vloeistoffen en gassen wordt over het algemeen aangeduid als 'stroming', een concept dat beschrijft hoe vloeistoffen zich gedragen en hoe ze in wisselwerking staan ​​met hun omgeving - bijvoorbeeld water dat door een kanaal of buis of over een oppervlak beweegt. Flow kan stabiel of onstabiel zijn. In zijn collegeaantekeningen, "Lezingen in Elementaire Fluid Dynamics" (University of Kentucky, 2009) schrijft JM McDonough, een professor in engineering aan de Universiteit van Kentucky,: "Als alle eigenschappen van een stroom onafhankelijk zijn van de tijd, dan is de stroom stabiel, anders is het onstabiel. " Dat wil zeggen, stabiele stromingen veranderen niet in de loop van de tijd. Een voorbeeld van een stabiele stroom is het water dat met constante snelheid door een buis stroomt. Aan de andere kant zijn een overstroming of water dat uit een ouderwetse handpomp stroomt voorbeelden van een onstabiele stroming.

Flow kan ook laminair of turbulent zijn. Laminaire stromingen zijn vloeiender, terwijl turbulente stromingen chaotischer zijn. Een belangrijke factor bij het bepalen van de toestand van de stroming van een fluïdum is zijn viscositeit of dikte, waarbij hogere viscositeit de neiging van de stroming om laminair te zijn verhoogt. Patrick McMurtry, een professor in de techniek aan de Universiteit van Utah, beschrijft het verschil in zijn online class notes, "Observations About Turbulent Flows" (University of Utah, 2000), waarin staat: "Bij laminaire stroming hebben we het over het algemeen over een vloeiende, stabiele vloeistofbeweging, waarbij eventuele geïnduceerde verstoringen worden gedempt ten gevolge van de relatief sterke viskeuze krachten.In turbulente stromingen kunnen andere krachten de werking van de viscositeit tegenwerken. "

Laminaire stroming is wenselijk in veel situaties, zoals in drainagesystemen of vliegtuigvleugels, omdat het efficiënter is en minder energie verloren gaat. Turbulente stroming kan nuttig zijn om verschillende vloeistoffen met elkaar te laten mixen of om temperatuur te vereffenen. Volgens McDonough zijn de meeste interesses turbulent; dergelijke stromingen kunnen echter zeer moeilijk in detail worden voorspeld en het onderscheid tussen deze twee stromingsvormen is grotendeels intuïtief.

Een belangrijke factor in de vloeistofstroom is het Reynolds-getal van de vloeistof (Opnieuw), genoemd naar de negentiende-eeuwse wetenschapper Osborne Reynolds, hoewel het voor het eerst werd beschreven in 1851 door natuurkundige George Gabriel Stokes. McDonough geeft de definitie van Opnieuw als, "de verhouding van inertiële tot viskeuze krachten." De traagheidskracht is de weerstand van het fluïdum tegen verandering van beweging, en de viskeuze kracht is de hoeveelheid wrijving ten gevolge van de viscositeit of dikte van het fluïdum. Let daar op Opnieuw is niet alleen een eigenschap van de vloeistof; het omvat ook de omstandigheden van de stroom, zoals de snelheid en de grootte en vorm van de leiding of obstructies.

Op zijn laagst Opnieuw, de stroming neigt glad of laminair te zijn, terwijl hij hoog is Opnieuw, de stroming heeft de neiging turbulent te zijn, wervelingen en draaikolken te vormen. Opnieuw kan worden gebruikt om te voorspellen hoe een gas of vloeistof rond een obstakel in een stroom zal stromen, zoals water rond een brug die zich opstapelt of wind over een vliegtuigvleugel. Het getal kan ook worden gebruikt om de snelheid te voorspellen waarmee de stroom van laminair naar turbulent overgaat.

Vloeistofstroom

De studie van vloeistofstroom wordt hydrodynamica genoemd. Hoewel vloeistoffen allerlei soorten stoffen bevatten, zoals olie en chemische oplossingen, is verreweg de meest voorkomende vloeistof water, en de meeste toepassingen voor hydrodynamica omvatten het beheren van de stroom van deze vloeistof. Dat omvat overstromingsbeheer, werking van stads- en rioolstelsels en beheer van bevaarbare waterwegen. [Gallery: Dreamy Images Reveal Beauty in Physics]

Hydrodynamica heeft voornamelijk betrekking op de stroming van water in leidingen of open kanalen. Geologie professor John Southard's lezing aantekeningen van een online cursus, "Inleiding tot Fluid Motions" (Massachusetts Institute of Technology, 2006), schetsen het belangrijkste verschil tussen pijpstroom en open-kanaalstroom: "stroomt in gesloten leidingen of kanalen, zoals pijpen of luchtkanalen, zijn volledig in contact met starre grenzen, "terwijl" open-kanaalstromen, aan de andere kant, zijn die waarvan de grenzen niet geheel een vast en stijf materiaal zijn. " Hij stelt: "Belangrijke open-kanaalstromen zijn rivieren, getijstromen, irrigatiekanalen of vellen water die over het grondoppervlak stromen na een regenbui."

Vanwege de verschillen in die grenzen beïnvloeden verschillende krachten de twee soorten stromen. Volgens Scott Post schreef hij in zijn boek "Applied and Computational Fluid Mechanics" (Jones & Bartlett, 2009): "Terwijl stromen in een gesloten buis kunnen worden aangedreven door druk of zwaartekracht, worden stromen in open kanalen alleen door de zwaartekracht aangedreven. " De druk wordt voornamelijk bepaald door de hoogte van het fluïdum boven het meetpunt. De meeste stadswatersystemen gebruiken bijvoorbeeld watertorens om een ​​constante druk in het systeem te handhaven.Dit verschil in hoogte wordt de hydrodynamische kop genoemd. Vloeistof in een buis kan ook worden gemaakt om sneller te stromen of met grotere druk met behulp van mechanische pompen.

Streaklines verschijnen tijdens een rooktest van de aerodynamica van een oplegger in een windtunnel.

Streaklines verschijnen tijdens een rooktest van de aerodynamica van een oplegger in een windtunnel.

Krediet: Lawrence Livermore National Laboratory

Gasstroom

De gasstroom heeft veel overeenkomsten met de vloeistofstroom, maar heeft ook enkele belangrijke verschillen. Ten eerste is gas samendrukbaar, terwijl vloeistoffen in het algemeen niet-samendrukbaar worden geacht. In "Fundamentals of Compressible Fluid Dynamics" (Prentice-Hall, 2006) beschrijft auteur P. Balachandran samendrukbare vloeistof, met de vermelding: "Als de dichtheid van het fluïdum aanzienlijk verandert doorheen het stromingsveld, kan de stroom worden behandeld als een samendrukbare stroom. " Anders wordt de vloeistof als niet-samendrukbaar beschouwd. Ten tweede wordt de gasstroom nauwelijks beïnvloed door de zwaartekracht.

Het meest voorkomende gas in het dagelijks leven is lucht; daarom hebben wetenschappers veel aandacht besteed aan de stromingsomstandigheden. Wind zorgt ervoor dat lucht rond gebouwen en andere gebouwen beweegt, en het kan ook worden verplaatst door pompen en ventilatoren.

Een gebied van bijzonder belang is de beweging van objecten door de atmosfeer. Deze tak van vloeistofdynamica wordt aerodynamica genoemd, wat "de dynamiek is van lichamen die bewegen ten opzichte van gassen, in het bijzonder de interactie van bewegende objecten met de atmosfeer", volgens het American Heritage Dictionary. Problemen op dit gebied zijn onder meer het verminderen van de weerstand op autocarrosserieën, het ontwerpen van efficiëntere vliegtuigen en windturbines en het bestuderen hoe vogels en insecten vliegen.

Het principe van Bernoulli

Over het algemeen heeft vloeistof die met een hogere snelheid beweegt een lagere druk dan vloeistof die met een lagere snelheid beweegt. Dit fenomeen werd voor het eerst beschreven door Daniel Bernoulli in 1738 in zijn boek "Hydrodynamica" en is algemeen bekend als het principe van Bernoulli. Het kan worden toegepast om de snelheid te meten van een vloeistof of gas dat in een pijp of kanaal of over een oppervlak beweegt.

Dit principe is ook verantwoordelijk voor de lift in een vliegtuigvleugel, waardoor vliegtuigen kunnen vliegen. Omdat de vleugel vlak op de bodem is en bovenaan gebogen, moet de lucht een grotere afstand langs het bovenoppervlak afleggen dan langs de bodem. Om dit te doen, moet het sneller over de top gaan, waardoor de druk ervan afneemt. Hierdoor stijgt de hogedruklucht op de bodem omhoog op de vleugel.

Problemen met de vloeistofdynamica

Wetenschappers proberen vaak flow te visualiseren met behulp van cijfers die stroomlijnen, streeplijnen en paden worden genoemd. McDonough definieert een stroomlijn als "een ononderbroken lijn in een vloeistof zodanig dat de raaklijn op elk punt de richting van de snelheidsvector op dat punt is." Met andere woorden, een stroomlijn toont de richting van de stroom op een bepaald punt in de stroom. Een streeplijn, volgens McDonough, is "de locus [locatie] van alle vloeistofelementen die eerder door een bepaald punt zijn gegaan." Een pathline (of deeltjepad), schrijft hij, is 'het traject van een individueel element van vloeistof'. Als de stroom niet in de loop van de tijd verandert, is de paden dezelfde als de stroomlijn. In het geval van turbulente of instabiele stroming kunnen deze lijnen echter nogal verschillen.

De meeste problemen in de vloeistofdynamica zijn te complex om te worden opgelost door directe berekening. In deze gevallen moeten problemen worden opgelost door numerieke methoden met behulp van computersimulaties. Dit studiegebied wordt numerieke of computationele vloeistofdynamica (CFD) genoemd, die Southard definieert als "een tak van computergebaseerde wetenschap die numerieke voorspellingen biedt van vloeistofstromen." Omdat turbulente stroming echter niet-lineair en chaotisch is, moet er bijzondere aandacht worden geschonken aan het opstellen van de regels en beginvoorwaarden voor deze simulaties. Kleine veranderingen aan het begin kunnen grote verschillen in de resultaten tot gevolg hebben.

De nauwkeurigheid van simulaties kan worden verbeterd door het volume in kleinere regio's te delen en kleinere tijdstappen te gebruiken, maar dit verhoogt de rekentijd. Om deze reden zou CFD moeten toenemen naarmate de rekenkracht toeneemt.

Jim Lucas is een freelance schrijver en editor gespecialiseerd in fysica, astronomie en engineering. Hij is algemeen directeur van Lucas Technologies.

Extra middelen

  • NASA-tunnels testen tennisballen
  • Science & Technology Review: Vermindering van aerodynamische weerstand
  • Internationaal ruimtestation: Fluid Flow-modellen


Video Supplement: Fluids in Motion: Crash Course Physics #15.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com