Dynamika płynów jest „gałęzią nauki stosowanej, która dotyczy ruchu płynów i gazów”, zgodnie z American Heritage Dictionary. Dynamika płynów jest jedną z dwóch gałęzi mechaniki płynów, która jest badaniem płynów i tego, jak siły na nie wpływają. (Druga gałąź to statyka płynów, która zajmuje się płynami w spoczynku.)
Naukowcy z kilku dziedzin badają dynamikę płynów. Dynamika płynów dostarcza metod do badania ewolucji gwiazd, prądów oceanicznych, wzorców pogodowych, tektoniki płyt, a nawet krążenia krwi. Niektóre ważne technologiczne zastosowania dynamiki płynów obejmują silniki rakietowe, turbiny wiatrowe, rurociągi naftowe i systemy klimatyzacji.
Co to jest przepływ?
Ruch cieczy i gazów jest ogólnie określany jako „przepływ”, koncepcja, która opisuje, jak zachowują się płyny i jak oddziałują z otaczającym je środowiskiem – na przykład, woda poruszająca się przez kanał lub rurę, lub po powierzchni. Przepływ może być ustalony lub nieustalony. W swoich notatkach do wykładu „Lectures in Elementary Fluid Dynamics” (University of Kentucky, 2009) J. M. McDonough, profesor inżynierii na University of Kentucky, pisze: „Jeśli wszystkie właściwości przepływu są niezależne od czasu, to przepływ jest ustalony; w przeciwnym razie jest on nieustalony”. Oznacza to, że przepływy ustalone nie zmieniają się w czasie. Przykładem stałego przepływu może być woda przepływająca przez rurę ze stałą prędkością. Z drugiej strony, powódź lub woda lejąca się ze staromodnej pompy ręcznej są przykładami niestałego przepływu.
Przepływ może być również laminarny lub turbulentny. Przepływy laminarne są gładsze, podczas gdy przepływy turbulentne są bardziej chaotyczne. Jednym z ważnych czynników w określaniu stanu przepływu płynu jest jego lepkość lub grubość, gdzie wyższa lepkość zwiększa tendencję przepływu do bycia laminarnym. Patrick McMurtry, profesor inżynierii na Uniwersytecie Utah, opisuje tę różnicę w swoich notatkach z zajęć online, „Observations About Turbulent Flows” (Uniwersytet Utah, 2000), stwierdzając: „Mówiąc o przepływie laminarnym, mamy na myśli płynny, stały ruch płynu, w którym wszelkie wywołane perturbacje są tłumione dzięki stosunkowo silnym siłom lepkości. W przepływach turbulentnych, inne siły mogą działać przeciwstawnie do działania lepkości.”
Przepływ laminarny jest pożądany w wielu sytuacjach, takich jak w systemach odwadniających lub skrzydłach samolotów, ponieważ jest bardziej wydajny i traci się mniej energii. Przepływ turbulentny może być przydatny do mieszania różnych płynów lub do wyrównywania temperatury. Według McDonougha większość interesujących nas przepływów jest turbulentna; jednakże takie przepływy mogą być bardzo trudne do szczegółowego przewidzenia, a rozróżnienie między tymi dwoma rodzajami przepływu jest w dużej mierze intuicyjne.
Ważnym czynnikiem w przepływie płynów jest liczba Reynoldsa (Re), która została nazwana na cześć dziewiętnastowiecznego naukowca Osborne’a Reynoldsa, chociaż po raz pierwszy została opisana w 1851 roku przez fizyka George’a Gabriela Stokesa. McDonough podaje definicję liczby Reynoldsa jako „stosunek sił bezwładności do sił lepkości”. Siła bezwładności to opór płynu na zmianę ruchu, a siła lepkości to wielkość tarcia wynikająca z lepkości lub grubości płynu. Zauważ, że Re nie jest tylko właściwością płynu; obejmuje również warunki jego przepływu, takie jak jego prędkość oraz rozmiar i kształt przewodu lub jakichkolwiek przeszkód.
Przy niskim Re, przepływ ma tendencję do bycia gładkim, lub laminarnym, podczas gdy przy wysokim Re, przepływ ma tendencję do bycia turbulentnym, tworząc wiry i vortices. Re może być używane do przewidywania, jak gaz lub ciecz będzie płynąć wokół przeszkód w strumieniu, takich jak woda wokół pala mostu lub wiatr nad skrzydłem samolotu. Liczba ta może być również używana do przewidywania prędkości, przy której przepływ przechodzi z laminarnego do turbulentnego.
Przepływ cieczy
Badanie przepływu cieczy nazywane jest hydrodynamiką. Podczas gdy ciecze obejmują wszelkiego rodzaju substancje, takie jak olej i roztwory chemiczne, zdecydowanie najbardziej powszechną cieczą jest woda, a większość zastosowań hydrodynamiki obejmuje zarządzanie przepływem tej cieczy. Obejmuje to kontrolę powodzi, obsługę miejskich systemów wodnych i kanalizacyjnych oraz zarządzanie żeglownymi drogami wodnymi.
Hydrodynamika zajmuje się przede wszystkim przepływem wody w rurach lub otwartych kanałach. Notatki z wykładów profesora geologii Johna Southarda z kursu online „Introduction to Fluid Motions” (Massachusetts Institute of Technology, 2006), nakreślają główną różnicę między przepływem w rurach a przepływem w otwartych kanałach: „przepływy w zamkniętych przewodach lub kanałach, takich jak rury lub kanały powietrzne, są całkowicie w kontakcie ze sztywnymi granicami”, podczas gdy „przepływy w kanałach otwartych, z drugiej strony, to te, których granice nie są całkowicie stałym i sztywnym materiałem”. Stwierdza on, że „ważne przepływy otwartokanałowe to rzeki, prądy pływowe, kanały nawadniające lub tafle wody płynące po powierzchni ziemi po deszczu.”
Dzięki różnicom w tych granicach, różne siły wpływają na dwa rodzaje przepływów. Według Scotta Posta w jego książce „Applied and Computational Fluid Mechanics,” (Jones & Bartlett, 2009), „Podczas gdy przepływy w zamkniętej rurze mogą być napędzane albo przez ciśnienie albo grawitację, przepływy w otwartych kanałach są napędzane tylko przez grawitację.” Ciśnienie jest określane przede wszystkim przez wysokość cieczy nad punktem pomiaru. Na przykład, większość miejskich systemów wodnych używa wież ciśnień, aby utrzymać stałe ciśnienie w systemie. Ta różnica wysokości nazywana jest głowicą hydrodynamiczną. Ciecz w rurze może również przepływać szybciej lub z większym ciśnieniem za pomocą pomp mechanicznych.
Przepływ gazu
Przepływ gazu ma wiele podobieństw do przepływu cieczy, ale ma też kilka ważnych różnic. Po pierwsze, gaz jest ściśliwy, podczas gdy ciecze są na ogół uważane za nieściśliwe. W książce „Fundamentals of Compressible Fluid Dynamics” (Prentice-Hall, 2006), autor P. Balachandran opisuje płyn ściśliwy, stwierdzając: „Jeśli gęstość płynu zmienia się znacząco w całym polu przepływu, przepływ może być traktowany jako przepływ ściśliwy”. W przeciwnym razie, płyn jest uważany za nieściśliwy. Po drugie, na przepływ gazu prawie nie ma wpływu grawitacja.
Gazem najczęściej spotykanym w życiu codziennym jest powietrze; dlatego naukowcy poświęcili wiele uwagi warunkom jego przepływu. Wiatr powoduje, że powietrze porusza się wokół budynków i innych konstrukcji, a także może być wprawiane w ruch przez pompy i wentylatory.
Jednym z obszarów szczególnego zainteresowania jest ruch obiektów przez atmosferę. Ta gałąź dynamiki płynów nazywana jest aerodynamiką, która jest „dynamiką ciał poruszających się w stosunku do gazów, szczególnie interakcji poruszających się obiektów z atmosferą”, zgodnie z American Heritage Dictionary. Problemy w tej dziedzinie obejmują zmniejszenie oporu na karoseriach samochodów, projektowanie bardziej wydajnych samolotów i turbin wiatrowych oraz badanie, jak ptaki i owady latają.
Zasada Bernoulliego
Generalnie, płyn poruszający się z większą prędkością ma niższe ciśnienie niż płyn poruszający się z mniejszą prędkością. Zjawisko to zostało po raz pierwszy opisane przez Daniela Bernoulliego w 1738 roku w jego książce „Hydrodynamica” i jest powszechnie znane jako zasada Bernoulliego. Może być stosowane do pomiaru prędkości cieczy lub gazu poruszającego się w rurze, kanale lub po powierzchni.
Ta zasada jest również odpowiedzialna za siłę nośną w skrzydle samolotu, dlatego samoloty mogą latać. Ponieważ skrzydło jest płaskie od spodu i zakrzywione od góry, powietrze musi przebyć większą odległość wzdłuż górnej powierzchni niż wzdłuż dolnej. Aby to zrobić, musi szybciej przemieszczać się nad górną powierzchnią, co powoduje spadek jego ciśnienia. To powoduje, że powietrze o wyższym ciśnieniu na dole unosi się na skrzydle.
Problemy dynamiki płynów
Naukowcy często próbują wizualizować przepływ za pomocą figur zwanych liniami strumieni, smugami i liniami ścieżki. McDonough definiuje linię strumienia jako „ciągłą linię w płynie, której styczna w każdym punkcie jest kierunkiem wektora prędkości w tym punkcie”. Innymi słowy, linia strumienia pokazuje kierunek przepływu w każdym konkretnym punkcie przepływu. Linia smug, według McDonougha, jest „miejscem wszystkich elementów płynu, które poprzednio przeszły przez dany punkt”. Linia ścieżki (lub ścieżka cząsteczek), jak pisze, jest „trajektorią pojedynczego elementu płynu”. Jeśli przepływ nie zmienia się w czasie, linia ścieżki będzie taka sama jak linia strumienia. Jednak w przypadku przepływu turbulentnego lub niestałego, linie te mogą być zupełnie inne.
Większość problemów w dynamice płynów jest zbyt złożona, aby można je było rozwiązać za pomocą bezpośrednich obliczeń. W takich przypadkach, problemy muszą być rozwiązywane metodami numerycznymi przy użyciu symulacji komputerowych. Ten obszar badań nazywany jest numeryczną lub obliczeniową dynamiką płynów (CFD), którą Southard definiuje jako „gałąź nauki opartej na komputerach, która zapewnia numeryczne przewidywania przepływów płynów”. Jednakże, ponieważ przepływ turbulentny ma tendencję do bycia nieliniowym i chaotycznym, należy zachować szczególną ostrożność przy ustalaniu zasad i warunków początkowych dla tych symulacji. Małe zmiany na początku mogą spowodować duże różnice w wynikach.
Dokładność symulacji można poprawić dzieląc objętość na mniejsze regiony i stosując mniejsze kroki czasowe, ale to zwiększa czas obliczeń. Z tego powodu, CFD powinno rozwijać się wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej.
Jim Lucas jest niezależnym pisarzem i redaktorem specjalizującym się w fizyce, astronomii i inżynierii. Jest dyrektorem generalnym w Lucas Technologies.