A folyadékdinamika az American Heritage Dictionary szerint “az alkalmazott tudományok azon ága, amely a folyadékok és gázok mozgásával foglalkozik”. A folyadékdinamika a folyadékmechanika két ágának egyike, amely a folyadékok és a rájuk ható erők tanulmányozását jelenti. (A másik ág a folyadékstatika, amely a nyugalmi állapotban lévő folyadékokkal foglalkozik.)
A folyadékdinamikát számos tudományterület tudósai tanulmányozzák. A folyadékdinamika módszereket biztosít a csillagok fejlődésének, az óceáni áramlatok, az időjárási minták, a lemeztektonika és még a vérkeringés tanulmányozásához is. A folyadékdinamika néhány fontos technológiai alkalmazása a rakétamotorok, a szélturbinák, az olajvezetékek és a légkondicionáló rendszerek.
Mi az áramlás?
A folyadékok és gázok mozgását általában “áramlásnak” nevezik, amely fogalom leírja, hogyan viselkednek a folyadékok, és hogyan lépnek kölcsönhatásba a környezetükkel – például a víz mozgása egy csatornában vagy csőben, vagy egy felületen. Az áramlás lehet egyenletes vagy instacionárius. J. M. McDonough, a Kentucky Egyetem mérnökprofesszora “Lectures in Elementary Fluid Dynamics” (University of Kentucky, 2009) című előadásjegyzetében azt írja: “Ha az áramlás minden tulajdonsága független az időtől, akkor az áramlás állandósult, ellenkező esetben instacionárius”. Vagyis az állandósult áramlások nem változnak az idő múlásával. Az állandósult áramlásra példa a víz, amely egy csőben állandó sebességgel áramlik. Ezzel szemben egy árvíz vagy egy régimódi kézi szivattyúból kiömlő víz az instacionárius áramlás példája.
Az áramlás lehet lamináris vagy turbulens is. A lamináris áramlás simább, míg a turbulens áramlás kaotikusabb. Egy folyadék áramlási állapotának meghatározásában fontos tényező a folyadék viszkozitása vagy vastagsága, ahol a nagyobb viszkozitás növeli az áramlás lamináris tendenciáját. Patrick McMurtry, a Utah-i Egyetem mérnökprofesszora a “Megfigyelések a turbulens áramlásokról” című online jegyzetében (University of Utah, 2000) így írja le a különbséget: “Lamináris áramlás alatt általában olyan sima, egyenletes folyadékmozgást értünk, amelyben a viszonylag erős viszkózus erők miatt minden indukált perturbációt csillapítanak. Turbulens áramlásokban más erők is felléphetnek, amelyek ellensúlyozzák a viszkozitás hatását”.
A lamináris áramlás sok helyzetben kívánatos, például a vízelvezető rendszerekben vagy a repülőgépek szárnyaiban, mert hatékonyabb, és kevesebb energia vész el. A turbulens áramlás hasznos lehet a különböző folyadékok összekeveredésének előidézésére vagy a hőmérséklet kiegyenlítésére. McDonough szerint a legtöbb érdekes áramlás turbulens; az ilyen áramlásokat azonban nagyon nehéz lehet részletesen megjósolni, és a két áramlási típus megkülönböztetése nagyrészt intuitív.
A folyadékáramlás fontos tényezője a folyadék Reynolds-száma (Re), amelyet Osborne Reynolds 19. századi tudósról neveztek el, bár először 1851-ben George Gabriel Stokes fizikus írta le. McDonough a Re definícióját a következőképpen adja meg: “a tehetetlenségi és a viszkózus erők aránya”. Az inerciális erő a folyadék mozgásváltozással szembeni ellenállása, a viszkózus erő pedig a folyadék viszkozitása vagy vastagsága miatti súrlódás mértéke. Megjegyzendő, hogy a Re nem csak a folyadék tulajdonsága; magában foglalja az áramlás körülményeit is, mint például a sebességet, valamint a vezeték méretét és alakját vagy az esetleges akadályokat.
Alacsony Re-nél az áramlás általában sima vagy lamináris, míg magas Re-nél az áramlás inkább turbulens, örvényeket és örvényeket képező. A Re értéket arra lehet használni, hogy megjósoljuk, hogyan fog egy gáz vagy folyadék áramlani egy akadály körül az áramlásban, mint például a víz egy hídpillér körül, vagy a szél egy repülőgép szárnya felett. A szám arra is használható, hogy megjósolja, milyen sebességgel megy át az áramlás laminárisból turbulensbe.
Folyadékáramlás
A folyadékáramlás tanulmányozását hidrodinamikának nevezzük. Bár a folyadékok között mindenféle anyag megtalálható, például olaj és kémiai oldatok, a leggyakoribb folyadék messze a víz, és a hidrodinamika legtöbb alkalmazása ennek a folyadéknak az áramlásával kapcsolatos. Ide tartozik az árvízvédelem, a városi víz- és csatornarendszerek üzemeltetése, valamint a hajózható vízi utak kezelése.
A hidrodinamika elsősorban a víz csövekben vagy nyílt csatornákban történő áramlásával foglalkozik. John Southard geológus professzor “Bevezetés a folyadékmozgásokba” című online kurzusának (Massachusetts Institute of Technology, 2006) előadásjegyzetei felvázolják a csőáramlás és a nyílt csatornás áramlás közötti fő különbséget: “a zárt vezetékekben vagy csatornákban, például csövekben vagy légcsatornákban folyó áramlások teljes egészében merev határokkal érintkeznek”, míg “a nyílt csatornás áramlások viszont olyanok, amelyek határai nem teljesen szilárd és merev anyagból állnak”. Megállapítja: “Fontos nyílt csatornás áramlások a folyók, az árapály-áramlatok, az öntözőcsatornák, vagy az eső után a talajfelszínen végigfutó vízrétegek.”
Az említett határok különbözősége miatt különböző erők hatnak a kétféle áramlásra. Scott Post “Applied and Computational Fluid Mechanics” című könyvében (Jones & Bartlett, 2009) olvasható: “Míg egy zárt csőben az áramlásokat vagy a nyomás vagy a gravitáció hajtja, addig a nyílt csatornákban az áramlásokat csak a gravitáció hajtja”. A nyomást elsősorban a folyadéknak a mérési pont feletti magassága határozza meg. A legtöbb városi vízrendszer például víztornyokat használ, hogy állandó nyomást tartson fenn a rendszerben. Ezt a magasságkülönbséget nevezzük hidrodinamikai fejnek. A csőben lévő folyadékot mechanikus szivattyúkkal is lehet gyorsabb vagy nagyobb nyomással áramlásra bírni.
Gázáramlás
A gáz áramlása sok hasonlóságot mutat a folyadék áramlásával, de van néhány fontos különbség is. Először is, a gáz összenyomható, míg a folyadékokat általában összenyomhatatlannak tekintik. A “Fundamentals of Compressible Fluid Dynamics” (Prentice-Hall, 2006) című könyvben a szerző, P. Balachandran így írja le a kompresszibilis folyadékot: “Ha a folyadék sűrűsége érzékelhetően változik az áramlási mezőben, akkor az áramlás kompresszibilis áramlásként kezelhető”. Ellenkező esetben a folyadékot összenyomhatatlannak tekintjük. Másodszor, a gázáramlást alig befolyásolja a gravitáció.
A mindennapi életben leggyakrabban előforduló gáz a levegő, ezért a tudósok nagy figyelmet fordítottak az áramlási viszonyaira. A szél hatására a levegő az épületek és más szerkezetek körül mozog, és szivattyúkkal és ventilátorokkal is mozgásra lehet bírni.
Az egyik különösen érdekes terület a tárgyak mozgása a légkörben. A folyadékdinamikának ezt az ágát aerodinamikának nevezik, ami az American Heritage Dictionary szerint “a gázokhoz képest mozgó testek dinamikája, különösen a mozgó tárgyak és a légkör kölcsönhatása”. E terület problémái közé tartozik az autók karosszériáinak légellenállásának csökkentése, a hatékonyabb repülőgépek és szélturbinák tervezése, valamint a madarak és rovarok repülésének tanulmányozása.
Bernoulli elve
A nagyobb sebességgel mozgó folyadéknak általában kisebb a nyomása, mint a kisebb sebességgel mozgó folyadéknak. Ezt a jelenséget először Daniel Bernoulli írta le 1738-ban a “Hydrodynamica” című könyvében, és általában Bernoulli-elvként ismert. Alkalmazható egy csőben vagy csatornában, illetve egy felületen mozgó folyadék vagy gáz sebességének mérésére.
Ez az elv felelős a repülőgépek szárnyának felhajtóerejéért is, ezért tudnak repülni a repülőgépek. Mivel a szárny alul lapos, felül pedig ívelt, a levegőnek nagyobb távolságot kell megtennie a felső felület mentén, mint az alsó mentén. Ehhez gyorsabban kell haladnia a felső részen, ami a nyomás csökkenését eredményezi. Ezáltal az alul nagyobb nyomású levegő felemelkedik a szárnyon.
Az áramlástan problémái
A tudósok gyakran áramvonalnak, csíkvonalnak és útvonalnak nevezett ábrák segítségével próbálják megjeleníteni az áramlást. McDonough az áramvonalat úgy definiálja, mint “egy folytonos vonal egy folyadékon belül, úgy, hogy az érintő minden egyes ponton az adott ponton a sebességvektor iránya”. Más szóval, az áramvonal az áramlás irányát mutatja az áramlás bármely adott pontján. McDonough szerint a patakvonal “az összes olyan folyadékelem helye, amely korábban áthaladt egy adott ponton”. Az útvonal (vagy részecskeút), írja, “a folyadék egy-egy elemének pályája”. Ha az áramlás nem változik az idő múlásával, az útvonal megegyezik az áramvonallal. Turbulens vagy instacionárius áramlás esetén azonban ezek a vonalak egészen mások lehetnek.
A legtöbb áramlástani probléma túl bonyolult ahhoz, hogy közvetlen számítással megoldható legyen. Ezekben az esetekben a problémákat numerikus módszerekkel, számítógépes szimulációkkal kell megoldani. Ezt a tudományterületet numerikus vagy számításos áramlástannak (CFD) nevezik, amelyet Southard meghatározása szerint “a számítógépes tudomány egy olyan ága, amely a folyadékáramlások numerikus előrejelzését biztosítja”. Mivel azonban a turbulens áramlás általában nemlineáris és kaotikus, különös gondot kell fordítani e szimulációk szabályainak és kezdeti feltételeinek felállítására. A kezdeti kis változtatások nagy különbségeket eredményezhetnek az eredményekben.
A szimulációk pontossága javítható a térfogat kisebb régiókra osztásával és kisebb időlépések alkalmazásával, de ez növeli a számítási időt. Emiatt a CFD-nek a számítási teljesítmény növekedésével együtt kell fejlődnie.
Jim Lucas szabadúszó író és szerkesztő, aki fizikára, csillagászatra és mérnöki tudományokra szakosodott. A Lucas Technologies vezérigazgatója.