Verstehen, was Fluiddynamik ist

Die Fluiddynamik ist die Untersuchung der Bewegung von Fluiden, einschließlich ihrer Wechselwirkungen, wenn zwei Fluide miteinander in Kontakt kommen. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff "Flüssigkeit" auf beides Flüssigkeit oder Gase. Es ist ein makroskopischer, statistischer Ansatz zur Analyse dieser Wechselwirkungen in großem Maßstab unter Berücksichtigung der Flüssigkeiten als Kontinuum der Materie und im Allgemeinen ignoriert die Tatsache, dass die Flüssigkeit oder das Gas aus Individuum besteht Atome.

Die Fluiddynamik ist einer der beiden Hauptzweige von Strömungsmechanik, mit dem anderen Zweig ist Flüssigkeitsstatik, das Studium der Flüssigkeiten in Ruhe. (Vielleicht nicht überraschend, kann die Fluidstatik die meiste Zeit als etwas weniger aufregend angesehen werden als die Fluiddynamik.)

Jede Disziplin beinhaltet Konzepte, die entscheidend für das Verständnis ihrer Funktionsweise sind. Hier sind einige der wichtigsten, auf die Sie stoßen werden, wenn Sie versuchen, die Fluiddynamik zu verstehen.

Die Fluidkonzepte, die in der Fluidstatik gelten, kommen auch bei der Untersuchung von Flüssigkeit ins Spiel, die sich in Bewegung befindet. Das früheste Konzept in der Strömungsmechanik ist das von Auftrieb, entdeckt in altes Griechenland von Archimedes.

Wenn Flüssigkeiten fließen, wird die Dichte und Druck der Flüssigkeiten sind auch entscheidend für das Verständnis, wie sie interagieren werden. Das Viskosität bestimmt, wie widerstandsfähig die Flüssigkeit gegen Veränderungen ist, und ist daher auch für die Untersuchung der Bewegung der Flüssigkeit von entscheidender Bedeutung. Hier sind einige der Variablen, die in diesen Analysen auftauchen:

• Massenviskosität: μ
• Dichte: ρ
• Kinematische Viskosität: ν = μ / ρ

Da die Fluiddynamik die Untersuchung der Bewegung von Fluid beinhaltet, ist eines der ersten Konzepte, das verstanden werden muss, wie Physiker diese Bewegung quantifizieren. Der Begriff, mit dem Physiker die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeitsbewegung beschreiben, lautet fließen. Die Strömung beschreibt einen weiten Bereich von Flüssigkeitsbewegungen, wie z. B. das Durchblasen der Luft, das Durchströmen eines Rohrs oder das Laufen entlang einer Oberfläche. Die Strömung eines Fluids wird auf verschiedene Arten klassifiziert, basierend auf den verschiedenen Eigenschaften der Strömung.

Wenn sich die Bewegung der Flüssigkeit im Laufe der Zeit nicht ändert, wird dies als a angesehen beständiger Fluß. Dies wird durch eine Situation bestimmt, in der alle Eigenschaften der Strömung in Bezug auf die Zeit konstant bleiben oder alternativ darüber gesprochen werden kann, dass die Zeitableitungen des Strömungsfeldes verschwinden. (Weitere Informationen zum Verständnis von Derivaten finden Sie im Kalkül.)

EIN stationärer Fluss ist noch weniger zeitabhängig, da alle Fluideigenschaften (nicht nur die Fließeigenschaften) an jedem Punkt innerhalb der Flüssigkeit konstant bleiben. Wenn Sie also einen stetigen Fluss hatten, sich aber die Eigenschaften der Flüssigkeit selbst irgendwann änderten (möglicherweise aufgrund von eine Barriere, die zeitabhängige Wellen in einigen Teilen der Flüssigkeit verursacht), dann würden Sie einen stetigen Fluss haben, das heißt nicht ein stationärer Fluss.

Alle stationären Strömungen sind jedoch Beispiele für stationäre Strömungen. Ein Strom, der mit einer konstanten Geschwindigkeit durch ein gerades Rohr fließt, wäre ein Beispiel für einen stationären Fluss (und auch einen stetigen Fluss).

Wenn der Fluss selbst Eigenschaften hat, die sich im Laufe der Zeit ändern, wird er als bezeichnet instationärer Fluss oder ein vorübergehender Fluss. Regen, der während eines Sturms in eine Rinne fließt, ist ein Beispiel für einen instationären Fluss.

In der Regel erleichtern stetige Strömungen die Bewältigung von Problemen als instationäre Strömungen, was man angesichts der Tatsache erwarten würde, dass die Zeitabhängige Änderungen des Flusses müssen nicht berücksichtigt werden, und Dinge, die sich im Laufe der Zeit ändern, werden in der Regel die Dinge mehr machen kompliziert.

Ein reibungsloser Flüssigkeitsfluss soll haben laminare Strömung. Ein Fluss, der scheinbar chaotische, nichtlineare Bewegungen enthält, soll haben turbulente Strömung. Per Definition ist eine turbulente Strömung eine Art instationäre Strömung.

Beide Arten von Strömungen können Wirbel, Wirbel und verschiedene Arten der Rezirkulation enthalten. Je mehr solcher Verhaltensweisen vorliegen, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Strömung als turbulent eingestuft wird.

Die Unterscheidung, ob eine Strömung laminar oder turbulent ist, hängt normalerweise mit der Reynolds Nummer (Re). Die Reynolds-Zahl wurde erstmals 1951 vom Physiker George Gabriel Stokes berechnet, ist jedoch nach dem Wissenschaftler Osborne Reynolds aus dem 19. Jahrhundert benannt.

Die Reynolds-Zahl hängt nicht nur von den Besonderheiten des Fluids selbst ab, sondern auch von den Strömungsbedingungen, die sich wie folgt aus dem Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften ergeben:

Re = Trägheitskraft / Viskose Kräfte

Re = (ρV.dV/dx) / (μ d²V / dx²)

Der Ausdruck dV / dx ist der Gradient der Geschwindigkeit (oder der ersten Ableitung der Geschwindigkeit), der proportional zur Geschwindigkeit ist (V.) geteilt durch L.Dies stellt eine Längenskala dar, die zu dV / dx = V / L führt. Die zweite Ableitung ist so, dass d²V / dx² = V / L.². Das Ersetzen der ersten und zweiten Ableitung durch diese führt zu:

Re = (ρ V V./L.) / (μ V./L.²)

Re = (ρ V L.) / μ

Sie können auch durch die Längenskala L dividieren, was zu a führt Reynoldszahl pro Fuß, bezeichnet als Zu f = V. / ν.

Eine niedrige Reynoldszahl zeigt eine gleichmäßige laminare Strömung an. Eine hohe Reynolds-Zahl zeigt eine Strömung an, die Wirbel und Wirbel zeigt und im Allgemeinen turbulenter ist.

Rohrdurchfluss stellt eine Strömung dar, die allseitig mit starren Grenzen in Kontakt steht, z. B. Wasser, das sich durch ein Rohr bewegt (daher der Name "Rohrströmung"), oder Luft, die sich durch einen Luftkanal bewegt.

Open-Channel-Flow beschreibt die Strömung in anderen Situationen, in denen mindestens eine freie Oberfläche nicht mit einer starren Grenze in Kontakt steht. (In technischer Hinsicht weist die freie Oberfläche 0 parallele Scherspannungen auf.) Fälle von Strömung mit offenem Kanal umfassen Wasser, das sich durch einen Fluss bewegt, Überschwemmungen, Wasser, das bei Regen fließt, Gezeitenströmungen und Bewässerungskanäle. In diesen Fällen repräsentiert die Oberfläche des fließenden Wassers, auf der das Wasser mit der Luft in Kontakt steht, die "freie Oberfläche" der Strömung.

Strömungen in einem Rohr werden entweder durch Druck oder Schwerkraft angetrieben, Strömungen in Situationen mit offenen Kanälen werden jedoch ausschließlich durch Schwerkraft angetrieben. Stadtwassersysteme nutzen häufig Wassertürme, um dies auszunutzen, so dass der Höhenunterschied des Wassers im Turm (der hydrodynamischer Kopf) erzeugt eine Druckdifferenz, die dann mit mechanischen Pumpen eingestellt wird, um Wasser an die Stellen im System zu bringen, an denen sie benötigt werden.

Gase werden im Allgemeinen als komprimierbare Flüssigkeiten behandelt, da das Volumen, das sie enthält, reduziert werden kann. Ein Luftkanal kann um die Hälfte verkleinert werden und trotzdem dieselbe Gasmenge mit derselben Geschwindigkeit transportieren. Selbst wenn das Gas durch den Luftkanal strömt, haben einige Regionen eine höhere Dichte als andere Regionen.

Inkompressibel zu sein bedeutet im Allgemeinen, dass sich die Dichte eines Bereichs der Flüssigkeit nicht als Funktion der Zeit ändert, wenn sie sich durch die Strömung bewegt. Flüssigkeiten können natürlich auch komprimiert werden, aber das Ausmaß der Komprimierung ist eher begrenzt. Aus diesem Grund werden Flüssigkeiten typischerweise so modelliert, als wären sie inkompressibel.

Bernoullis Prinzip ist ein weiteres Schlüsselelement der Fluiddynamik, das in Daniel Bernoullis Buch von 1738 veröffentlicht wurde Hydrodynamica. Einfach ausgedrückt, bezieht es die Erhöhung der Geschwindigkeit in einer Flüssigkeit auf eine Abnahme des Drucks oder der potentiellen Energie. Für inkompressible Flüssigkeiten kann dies unter Verwendung von sogenannten beschrieben werden Bernoullis Gleichung:

(v²/2) + gz + p/ρ = konstant

Wo G ist die Erdbeschleunigung, ρ ist der Druck in der gesamten Flüssigkeit, v ist die Fluidströmungsgeschwindigkeit an einem gegebenen Punkt, z ist die Höhe an diesem Punkt, und p ist der Druck an diesem Punkt. Da dies innerhalb einer Flüssigkeit konstant ist, bedeutet dies, dass diese Gleichungen zwei beliebige Punkte, 1 und 2, mit der folgenden Gleichung in Beziehung setzen können:

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

Die Beziehung zwischen Druck und potentieller Energie einer Flüssigkeit basierend auf der Höhe wird auch durch das Pascalsche Gesetz in Beziehung gesetzt.

Zwei Drittel der Erdoberfläche sind Wasser und der Planet ist von Schichten der Atmosphäre umgeben, so dass wir buchstäblich immer von Flüssigkeiten umgeben sind... fast immer in Bewegung.

Wenn wir ein wenig darüber nachdenken, ist es ziemlich offensichtlich, dass es viele Wechselwirkungen von sich bewegenden Flüssigkeiten geben würde, die wir wissenschaftlich studieren und verstehen können. Hier kommt natürlich die Fluiddynamik ins Spiel, sodass es nicht an Feldern mangelt, die Konzepte aus der Fluiddynamik anwenden.

Diese Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, bietet jedoch einen guten Überblick darüber, wie sich die Fluiddynamik beim Studium der Physik in einer Reihe von Spezialisierungen zeigt:

• Ozeanographie, Meteorologie und Klimawissenschaft - Da die Atmosphäre als Flüssigkeit modelliert ist, ist das Studium der Atmosphärenwissenschaften und Meeresströmungen, entscheidend für das Verständnis und die Vorhersage von Wettermustern und Klimatrends, hängt stark von der Fluiddynamik ab.
• Luftfahrt - Die Physik der Fluiddynamik umfasst die Untersuchung des Luftstroms, um Luftwiderstand und Auftrieb zu erzeugen, die wiederum die Kräfte erzeugen, die einen Flug ermöglichen, der schwerer als Luft ist.
• Geologie & Geophysik - Plattentektonik beinhaltet die Untersuchung der Bewegung der erhitzten Materie im flüssigen Kern der Erde.
• Hämatologie & Hämodynamik -Die biologische Untersuchung von Blut umfasst die Untersuchung seiner Durchblutung durch Blutgefäße, und die Durchblutung kann mit den Methoden der Fluiddynamik modelliert werden.
• Plasmaphysik - Obwohl weder eine Flüssigkeit noch ein Gas, Plasma verhält sich häufig ähnlich wie Flüssigkeiten und kann daher auch mithilfe der Fluiddynamik modelliert werden.
• Astrophysik & Kosmologie - Der Prozess der Sternentwicklung beinhaltet die Veränderung der Sterne im Laufe der Zeit. Dies kann verstanden werden, indem untersucht wird, wie das Plasma, aus dem die Sterne bestehen, im Laufe der Zeit innerhalb des Sterns fließt und interagiert.
• Verkehrsanalyse - Eine der vielleicht überraschendsten Anwendungen der Fluiddynamik ist das Verständnis der Bewegung des Verkehrs, sowohl des Fahrzeug- als auch des Fußgängerverkehrs. In Bereichen, in denen der Verkehr ausreichend dicht ist, kann der gesamte Verkehr als eine Einheit behandelt werden, die sich auf eine Weise verhält, die dem Fluss einer Flüssigkeit in etwa ähnlich ist.

Die Fluiddynamik wird manchmal auch als bezeichnet Hydrodynamik, obwohl dies eher ein historischer Begriff ist. Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurde der Ausdruck "Fluiddynamik" viel häufiger verwendet.

Technisch wäre es angemessener zu sagen, dass Hydrodynamik ist, wenn Fluiddynamik auf Flüssigkeiten in Bewegung und angewendet wird Aerodynamik ist, wenn Fluiddynamik auf bewegte Gase angewendet wird.

In der Praxis verwenden spezielle Themen wie hydrodynamische Stabilität und Magnetohydrodynamik jedoch das Präfix "Hydro", selbst wenn sie diese Konzepte auf die Bewegung von Gasen anwenden.