Δυναμική των ρευστών

Η δυναμική των ρευστών μιλάει για το πώς λειτουργούν τα ρευστά (υγρά και αέρια). Είναι ένα από τα παλαιότερα τμήματα της μελέτης της Φυσικής και μελετάται από φυσικούς, μαθηματικούς και μηχανικούς. Τα μαθηματικά μπορούν να περιγράψουν πώς κινούνται τα ρευστά χρησιμοποιώντας μαθηματικούς τύπους που ονομάζονται εξισώσεις. Η δυναμική των ρευστών των αερίων ονομάζεται αεροδυναμική.

Η κατανόηση της συμπεριφοράς των ρευστών μας βοηθά να κατανοήσουμε πράγματα όπως η πτήση ή τα ωκεάνια ρεύματα. Για παράδειγμα, η δυναμική των ρευστών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατανόηση του καιρού, επειδή τα σύννεφα και ο αέρας είναι και τα δύο ρευστά. Η δυναμική των ρευστών μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να κατανοήσουμε πώς τα αεροπλάνα πετούν στον αέρα ή πώς τα πλοία και τα υποβρύχια κινούνται μέσα στο νερό.

Τα προγράμματα υπολογιστών μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις μαθηματικές εξισώσεις της δυναμικής των ρευστών για να μοντελοποιήσουν και να προβλέψουν τις δράσεις των κινούμενων ρευστών. Οι υπολογιστές μάς έχουν βοηθήσει πολύ στην κατανόηση της δυναμικής των ρευστών, και ορισμένοι άνθρωποι μελετούν πώς να μοντελοποιούν ή να προσομοιώνουν τα ρευστά μόνο με υπολογιστή. Η μελέτη του τρόπου με τον οποίο μπορεί να γίνει η δυναμική των ρευστών με υπολογιστές ονομάζεται υπολογιστική δυναμική των ρευστών (ή CFD για συντομία).

Σημαντικές εξισώσεις στη δυναμική των ρευστών

Οι μαθηματικές εξισώσεις που διέπουν τη ροή των ρευστών είναι απλές στη σκέψη αλλά πολύ δύσκολες στην επίλυση. Στις περισσότερες περιπτώσεις της πραγματικής ζωής δεν υπάρχει τρόπος να βρεθεί λύση που να μπορεί να καταγραφεί και πρέπει να χρησιμοποιηθεί υπολογιστής για τον υπολογισμό της απάντησης. Υπάρχουν τρεις θεμελιώδεις εξισώσεις που βασίζονται σε τρεις κανόνες.

Διατήρηση της μάζας: η μάζα ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται, απλώς μετακινείται από το ένα μέρος στο άλλο. Αυτό δίνει την εξίσωση διατήρησης της μάζας. Μερικές φορές αυτό μπορεί να μην ισχύει, όπως σε μια ροή που περιλαμβάνει μια χημική αντίδραση.

Διατήρηση της ενέργειας: αυτός είναι ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής, η ενέργεια δεν δημιουργείται ούτε καταστρέφεται ποτέ, απλώς αλλάζει μορφή (π.χ. κινητική ενέργεια σε δυναμική ενέργεια) ή μετακινείται.

Διατήρηση της ορμής: αυτός είναι ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα και ορίζει ότι Δύναμη = ρυθμός μεταβολής της ορμής. Η ορμή είναι η μάζα επί την ταχύτητα. Οι εξισώσεις ορμής είναι οι εξισώσεις που δυσκολεύουν την επίλυση προβλημάτων στη δυναμική των ρευστών. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές εκδοχές που περιλαμβάνουν μια σειρά από διαφορετικά φαινόμενα. Οι εξισώσεις Navier-Stokes είναι εξισώσεις ορμής και οι εξισώσεις Euler είναι οι εξισώσεις Navier-Stokes αλλά χωρίς να περιλαμβάνεται το ιξώδες. Υπάρχει μία εξίσωση ορμής σε ένα 1D πρόβλημα και τρεις, μία σε κάθε κατεύθυνση του χώρου, σε 3D.

Για την επίλυση των εξισώσεων απαιτούνται συχνά περισσότερες πληροφορίες με τη μορφή καταστατικής εξίσωσης. Αυτή συνδέει τις θερμοδυναμικές ιδιότητες (συνήθως πίεση και θερμοκρασία) μεταξύ τους για έναν συγκεκριμένο τύπο ρευστού. Ένα παράδειγμα είναι η καταστατική εξίσωση του "ιδανικού αερίου" που συσχετίζει την πίεση, τη θερμοκρασία και την πυκνότητα και λειτουργεί καλά για αέρια υπό κανονικές πιέσεις (όπως ο αέρας σε ατμοσφαιρική πίεση).

Εξίσωση Poiseuille
Το θεώρημα του Bernoulli
Εξισώσεις Navier-Stokes

Σχετικές σελίδες

Μηχανική των ρευστών

Ερωτήσεις και απαντήσεις

Ερ: Για τι πράγμα μιλάει η Δυναμική των Ρευστών;

A: Η Δυναμική των Ρευστών μιλάει για το πώς λειτουργούν τα ρευστά (υγρά και αέρια).

Ερ: Ποιος μελετά τη Δυναμική των Ρευστών;

A: Η Δυναμική των Ρευστών μελετάται από φυσικούς, μαθηματικούς και μηχανικούς.

Ερ: Πώς μπορούν τα Μαθηματικά να περιγράψουν πώς κινούνται τα ρευστά;

Α: Τα Μαθηματικά μπορούν να περιγράψουν πώς κινούνται τα ρευστά χρησιμοποιώντας μαθηματικούς τύπους που ονομάζονται εξισώσεις.

Ερ: Πώς ονομάζεται η δυναμική των ρευστών των αερίων;

Α: Η ρευστοδυναμική των αερίων ονομάζεται αεροδυναμική.

Ερ: Γιατί είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πώς συμπεριφέρονται τα ρευστά;

Α: Η κατανόηση της συμπεριφοράς των ρευστών μας βοηθά να κατανοήσουμε πράγματα όπως η πτήση ή τα ωκεάνια ρεύματα.

Ερ: Πώς μπορούν τα προγράμματα υπολογιστών να χρησιμοποιούν τις μαθηματικές εξισώσεις της δυναμικής των ρευστών;

Α: Τα προγράμματα υπολογιστών μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις μαθηματικές εξισώσεις της δυναμικής των ρευστών για να μοντελοποιήσουν και να προβλέψουν τις δράσεις των κινούμενων ρευστών.

Ερ: Πώς ονομάζεται η μελέτη του τρόπου με τον οποίο μπορεί να γίνει η δυναμική των ρευστών με υπολογιστές;

Α: Η μελέτη του τρόπου με τον οποίο μπορεί να γίνει η δυναμική των ρευστών με υπολογιστές ονομάζεται υπολογιστική δυναμική των ρευστών (ή CFD για συντομία).