Fluiddynamiikka on American Heritage Dictionaryn mukaan ”nesteiden ja kaasujen liikettä käsittelevä soveltavan tieteen ala”. Fluiddynamiikka on yksi kahdesta nestemekaniikan haarasta, joka tutkii nesteitä ja sitä, miten voimat vaikuttavat niihin. (Toinen haara on nestestatiikka, joka käsittelee levossa olevia nesteitä.)
Tutkijat useilla eri aloilla tutkivat nestedynamiikkaa. Nestedynamiikka tarjoaa menetelmiä tähtien kehityksen, merivirtojen, säämallien, laattatektoniikan ja jopa verenkierron tutkimiseen. Joitakin tärkeitä nestedynamiikan teknologisia sovelluksia ovat esimerkiksi rakettimoottorit, tuuliturbiinit, öljyputkistot ja ilmastointijärjestelmät.
Mitä on virtaus?
Nesteiden ja kaasujen liikettä kutsutaan yleisesti ”virtaukseksi”, käsitteeksi, joka kuvaa, miten nesteet käyttäytyvät ja miten ne ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa – esimerkiksi vesi liikkuu kanavassa tai putkessa tai pinnan yli. Virtaus voi olla joko tasaista tai epävakaata. Kentuckyn yliopiston insinööritieteiden professori J. M. McDonough kirjoittaa luentomuistiossaan ”Lectures in Elementary Fluid Dynamics” (University of Kentucky, 2009): ”Jos virtauksen kaikki ominaisuudet ovat ajasta riippumattomia, virtaus on tasaista, muussa tapauksessa se on epävakaata”. Toisin sanoen vakaat virtaukset eivät muutu ajan myötä. Esimerkki tasaisesta virtauksesta olisi vesi, joka virtaa putken läpi vakionopeudella. Toisaalta tulva tai vanhanaikaisesta käsipumpusta valuva vesi ovat esimerkkejä epäsäännöllisestä virtauksesta.
Virtaus voi myös olla joko laminaarista tai turbulenttista. Laminaariset virtaukset ovat tasaisempia, kun taas turbulenttiset virtaukset ovat kaoottisempia. Yksi tärkeä tekijä nesteen virtaustilan määrittämisessä on sen viskositeetti eli paksuus, jossa suurempi viskositeetti lisää virtauksen taipumusta olla laminaarinen. Utahin yliopiston insinööritieteiden professori Patrick McMurtry kuvailee tätä eroa verkkoluokkamuistiinpanoissaan ”Observations About Turbulent Flows” (Observations About Turbulent Flows) (Utahin yliopisto, 2000) seuraavasti: ”Laminaarivirtauksella tarkoitetaan yleensä tasaista, tasaista nestemäistä liikettä, jossa aiheuttamat häiriöt vaimenevat suhteellisen voimakkaiden viskoosivoimien vuoksi. Turbulenttisissa virtauksissa voi vaikuttaa muita voimia, jotka kumoavat viskositeetin vaikutuksen.”
Laminaarinen virtaus on toivottavaa monissa tilanteissa, kuten viemärijärjestelmissä tai lentokoneen siivissä, koska se on tehokkaampaa ja energiaa menetetään vähemmän. Turbulenttinen virtaus voi olla hyödyllinen, kun halutaan saada eri nesteet sekoittumaan keskenään tai tasata lämpötilaa. McDonoughin mukaan useimmat kiinnostavat virtaukset ovat turbulenttisia; tällaisia virtauksia voi kuitenkin olla hyvin vaikea ennustaa yksityiskohtaisesti, ja näiden kahden virtaustyypin erottaminen toisistaan on pitkälti intuitiivista.
Tärkeä tekijä nestevirtauksessa on nesteen Reynoldsin luku (Re), joka on saanut nimensä 1800-luvun tiedemiehen Osborne Reynoldsin mukaan, vaikkakin sen kuvasi ensimmäisen kerran vuonna 1851 fyysikko George Gabriel Stokes. McDonough määrittelee Re:n seuraavasti: ”inertiavoimien ja viskoosivoimien suhde”. Inertiavoima on nesteen vastus liikemuutokselle, ja viskoosivoima on nesteen viskositeetista tai paksuudesta johtuvan kitkan määrä. Huomaa, että Re ei ole vain nesteen ominaisuus, vaan se sisältää myös sen virtausolosuhteet, kuten nopeuden sekä kanavan tai mahdollisten esteiden koon ja muodon.
Matalalla Re:llä virtaus on yleensä tasaista eli laminaarista, kun taas korkealla Re:llä virtaus on yleensä turbulenttia muodostaen pyörteitä ja pyörteitä. Re:n avulla voidaan ennustaa, miten kaasu tai neste virtaa virtauksessa esteen ympärillä, kuten vesi siltapaalun ympärillä tai tuuli lentokoneen siiven yli. Luvun avulla voidaan myös ennustaa nopeus, jolla virtaus muuttuu laminaarisesta turbulenttiseksi.
Nestevirtaus
Nestevirtauksen tutkimista kutsutaan hydrodynamiikaksi. Vaikka nesteisiin kuuluu kaikenlaisia aineita, kuten öljyä ja kemiallisia liuoksia, ylivoimaisesti yleisin neste on vesi, ja useimmat hydrodynamiikan sovellukset liittyvät tämän nesteen virtauksen hallintaan. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi tulvasuojelu, kaupunkien vesi- ja viemäriverkostojen toiminta ja laivaväylien hallinta.
Hydrodynamiikka käsittelee pääasiassa veden virtausta putkissa tai avoimissa kanavissa. Geologian professori John Southardin verkkokurssin ”Introduction to Fluid Motions” (Massachusetts Institute of Technology, 2006) luentomuistiinpanoissa hahmotellaan putkivirtauksen ja avoimen kanavan virtauksen tärkeimmät erot: ”Suljetuissa putkissa tai kanavissa, kuten putkissa tai ilmakanavissa, tapahtuvat virtaukset ovat täysin kosketuksissa jäykkien rajojen kanssa”, kun taas ”avoimen kanavan virtaukset taas ovat virtauksia, joiden rajat eivät ole täysin kiinteää ja jäykkää materiaalia”. Hän toteaa: ”Merkittäviä avokanavavirtauksia ovat joet, vuorovesivirtaukset, kastelukanavat tai sateen jälkeen maanpinnan poikki kulkevat vesilevyt.”
Näissä rajoissa olevien erojen vuoksi näihin kahteen virtaustyyppiin vaikuttavat erilaiset voimat. Scott Postin kirjassaan ”Applied and Computational Fluid Mechanics” (Jones & Bartlett, 2009) sanotaan: ”Kun virtauksia suljetussa putkessa voi ohjata joko paine tai painovoima, virtauksia avoimissa kanavissa ohjaa pelkkä painovoima.” Paine määräytyy ensisijaisesti nesteen korkeuden perusteella mittauspisteen yläpuolella. Esimerkiksi useimmat kaupunkien vesijärjestelmät käyttävät vesitorneja pitääkseen paineen vakiona järjestelmässä. Tätä korkeuseroa kutsutaan hydrodynaamiseksi korkeudeksi. Putkessa oleva neste voidaan saada virtaamaan nopeammin tai suuremmalla paineella myös mekaanisten pumppujen avulla.
Kaasun virtaus
Kaasun virtauksella on monia yhtäläisyyksiä nesteen virtauksen kanssa, mutta siinä on myös joitakin tärkeitä eroja. Ensinnäkin kaasu on kokoonpuristuvaa, kun taas nesteitä pidetään yleensä kokoonpuristumattomina. Teoksessa ”Fundamentals of Compressible Fluid Dynamics” (Prentice-Hall, 2006) kirjoittaja P. Balachandran kuvaa kokoonpuristuvaa nestettä toteamalla: ”Jos nesteen tiheys muuttuu tuntuvasti koko virtauskentässä, virtausta voidaan käsitellä kokoonpuristuvana virtauksena”. Muussa tapauksessa nestettä pidetään kokoonpuristumattomana. Toiseksi painovoima ei juurikaan vaikuta kaasun virtaukseen.
Perinteisessä elämässä yleisimmin esiintyvä kaasu on ilma; siksi tutkijat ovat kiinnittäneet paljon huomiota sen virtausolosuhteisiin. Tuuli saa ilman liikkumaan rakennusten ja muiden rakenteiden ympärillä, ja se voidaan saada liikkumaan myös pumpuilla ja puhaltimilla.
Yksi erityisen kiinnostava alue on esineiden liikkuminen ilmakehässä. Tätä nestedynamiikan haaraa kutsutaan aerodynamiikaksi, joka American Heritage Dictionaryn mukaan on ”kaasujen suhteen liikkuvien kappaleiden dynamiikkaa, erityisesti liikkuvien kappaleiden vuorovaikutusta ilmakehän kanssa”. Tämän alan ongelmiin kuuluu autojen korien vastuksen vähentäminen, tehokkaampien lentokoneiden ja tuuliturbiinien suunnittelu sekä lintujen ja hyönteisten lentämisen tutkiminen.
Bernoullin periaate
Yleisesti suuremmalla nopeudella liikkuvassa nesteessä on pienempi paine kuin pienemmällä nopeudella liikkuvassa nesteessä. Tämän ilmiön kuvasi ensimmäisen kerran Daniel Bernoulli vuonna 1738 kirjassaan ”Hydrodynamica”, ja se tunnetaan yleisesti Bernoullin periaatteena. Sitä voidaan soveltaa putkessa tai kanavassa tai pinnalla liikkuvan nesteen tai kaasun nopeuden mittaamiseen.
Tämä periaate vastaa myös lentokoneen siiven nosteesta, minkä vuoksi lentokoneet voivat lentää. Koska siipi on alhaalta tasainen ja ylhäältä kaareva, ilman on kuljettava suurempi matka yläpintaa pitkin kuin alapintaa pitkin. Tätä varten sen on kuljettava nopeammin yläpinnan yli, jolloin sen paine pienenee. Tämä saa alhaalla olevan korkeapaineisemman ilman nostamaan siipeä ylöspäin.
Virtausdynamiikan ongelmia
Tutkijat yrittävät usein havainnollistaa virtausta käyttämällä kuvioita, joita kutsutaan virtaviivoiksi, raitaviivoiksi ja polkuviivoiksi. McDonough määrittelee virtaviivan ”jatkuvaksi viivaksi nesteen sisällä siten, että tangentti kussakin pisteessä on nopeusvektorin suunta kyseisessä pisteessä”. Toisin sanoen virtaviiva osoittaa virtauksen suunnan missä tahansa virtauksen pisteessä. McDonough’n mukaan virtaviiva on ”kaikkien niiden nesteen elementtien paikka, jotka ovat aiemmin kulkeneet tietyn pisteen läpi”. Polkuviiva (tai hiukkaspolku) on hänen mukaansa ”yksittäisen nesteen elementin liikerata”. Jos virtaus ei muutu ajan myötä, polkuviiva on sama kuin virtaviiva. Turbulenttisessa tai epävakaassa virtauksessa nämä viivat voivat kuitenkin olla hyvinkin erilaisia.
Useimmat fluididynamiikan ongelmat ovat liian monimutkaisia ratkaistaviksi suoralla laskennalla. Näissä tapauksissa ongelmat on ratkaistava numeerisin menetelmin tietokonesimulaatioiden avulla. Tätä tutkimusaluetta kutsutaan numeeriseksi tai laskennalliseksi nestedynamiikaksi (CFD), jonka Southard määrittelee ”tietokonepohjaisen tieteen haaraksi, joka tuottaa numeerisia ennusteita nestevirtauksista”. Koska turbulenttinen virtaus on kuitenkin yleensä epälineaarista ja kaoottista, näiden simulaatioiden sääntöjen ja alkuehtojen laatimisessa on noudatettava erityistä huolellisuutta. Pienet muutokset alussa voivat johtaa suuriin eroihin tuloksissa.
Simulaatioiden tarkkuutta voidaan parantaa jakamalla tilavuus pienempiin alueisiin ja käyttämällä pienempiä aika-askeleita, mutta tämä lisää laskenta-aikaa. Tästä syystä CFD:n tulisi edetä laskentatehon kasvaessa.
Jim Lucas on freelance-kirjailija ja toimittaja, joka on erikoistunut fysiikkaan, tähtitieteeseen ja tekniikkaan. Hän on Lucas Technologiesin toimitusjohtaja.