الجديد

فهم ما هي ديناميات الموائع

فهم ما هي ديناميات الموائع


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

ديناميات الموائع هي دراسة حركة السوائل ، بما في ذلك تفاعلاتها مع اتصال اثنين من السوائل ببعضها البعض. في هذا السياق ، يشير مصطلح "السائل" إلى سائل أو غازات. إنه منهج إحصائي عياني لتحليل هذه التفاعلات على نطاق واسع ، حيث ينظر إلى السوائل على أنها سلسلة من المواد ويتجاهل عمومًا حقيقة أن السائل أو الغاز يتكون من ذرات فردية.

ديناميات الموائع هي أحد الفرعين الرئيسيين لـ ميكانيكا الموائع، مع فرع آخر يجرياحصائيات السوائل ،دراسة السوائل في الراحة. (ربما ليس من المستغرب أن يُنظر إلى احصائيات السوائل على أنها أقل إثارة في معظم الوقت من ديناميات الموائع.)

المفاهيم الأساسية لديناميات الموائع

يتضمن كل تخصص مفاهيم أساسية لفهم كيفية عمله. فيما يلي بعض العناصر الرئيسية التي ستصادفها عند محاولة فهم ديناميات الموائع.

مبادئ السوائل الأساسية

مفاهيم الموائع التي تطبق في احصائيات الموائع تدخل في الاعتبار عند دراسة المائع المتحرك. إن المفهوم الأقدم في ميكانيكا الموائع هو مفهوم الطفو الذي اكتشفه أرخميدس في اليونان القديمة.

أثناء تدفق السوائل ، تعد كثافة السوائل وضغطها من الأمور الحاسمة أيضًا لفهم كيفية تفاعلها. تحدد اللزوجة مدى مقاومة السائل للتغير ، لذلك تعتبر ضرورية أيضًا في دراسة حركة السائل. فيما يلي بعض المتغيرات التي تظهر في هذه التحليلات:

  • اللزوجة السائبة:μ
  • كثافة:ρ
  • اللزوجة الحركية:ν = μ / ρ

تدفق

نظرًا لأن ديناميات الموائع تتضمن دراسة حركة المائع ، فإن أحد المفاهيم الأولى التي يجب فهمها هو كيفية تقدير علماء الفيزياء لهذه الحركة. المصطلح الذي يستخدمه الفيزيائيون لوصف الخواص الفيزيائية لحركة السائل هو تدفق. يصف Flow مجموعة واسعة من حركة السوائل ، مثل النفخ في الهواء ، أو التدفق عبر أنبوب ، أو الركض على طول السطح. يتم تصنيف تدفق المائع بعدة طرق مختلفة ، بناءً على الخصائص المختلفة للتدفق.

ثابت مقابل تدفق غير مستقر

إذا كانت حركة السائل لا تتغير مع مرور الوقت ، فيعتبر أ تدفق ثابت. يتم تحديد ذلك من خلال موقف تظل فيه كل خصائص التدفق ثابتة فيما يتعلق بالوقت أو بالتناوب يمكن الحديث عنها بالقول إن المشتقات الزمنية لحقل التدفق تتلاشى. (تحقق من حساب التفاضل والتكامل لمعرفة المزيد عن فهم المشتقات.)

ا تدفق الحالة المستقرة يعتمد بدرجة أقل على الوقت لأن جميع خصائص السائل (وليس فقط خصائص التدفق) تظل ثابتة في كل نقطة داخل السائل. لذلك إذا كان لديك تدفق ثابت ، ولكن خصائص السائل نفسه تغيرت في مرحلة ما (ربما بسبب حاجز يسبب تموجات تعتمد على الوقت في بعض أجزاء السائل) ، سيكون لديك تدفق ثابت يكون ليس تدفق حالة مستقرة.

جميع تدفقات الحالة الثابتة هي أمثلة على التدفقات الثابتة ، رغم ذلك. سيكون التدفق الجاري بمعدل ثابت عبر أنبوب مستقيم مثالًا على تدفق الحالة المستقرة (وكذلك التدفق الثابت).

إذا كان للتدفق نفسه خصائص تتغير مع مرور الوقت ، فيُطلق عليها اسم تدفق غير مستقر أو تدفق عابر. مثال على التدفق غير المستقر للأمطار التي تتدفق إلى الحضيض أثناء العاصفة.

كقاعدة عامة ، تجعل التدفقات الثابتة من الأسهل التعامل مع المشكلات مقارنة بالتدفقات غير المستقرة ، وهذا ما يتوقعه المرء نظرًا لأن التغييرات المعتمدة على الوقت في التدفق لا يجب أن تؤخذ في الاعتبار ، والأشياء التي تتغير بمرور الوقت عادة ما تجعل الأمور أكثر تعقيدًا.

تدفق رقائقي مقابل تدفق المضطرب

ويقال إن التدفق السلس للسائل تدفق الصفحي. يقال إن التدفق الذي يحتوي على فوضى غير خطية على ما يبدو الجريان المضطرب. بحكم التعريف ، فإن التدفق المضطرب هو نوع من التدفق غير المستقر.

قد يحتوي كلا النوعين من التدفقات على دوامات ، دوامات ، وأنواع مختلفة من إعادة الدوران ، على الرغم من أنه كلما زاد عدد هذه السلوكيات ، زاد احتمال تصنيف التدفق على أنه مضطرب.

التمييز بين ما إذا كان التدفق الصفحي أو المضطرب عادة ما يرتبط ب رقم رينولدز (إعادة). تم حساب رقم رينولدز لأول مرة في عام 1951 من قبل الفيزيائي جورج غابرييل ستوكس ، لكنه سمي على اسم عالم القرن التاسع عشر أوسبورن رينولدز.

يعتمد عدد رينولدز ليس فقط على خصائص السائل نفسه ولكن أيضًا على ظروف تدفقه ، المشتقة كنسبة من قوى القصور الذاتي إلى قوى لزجة بالطريقة التالية:

إعادة = قوة القصور الذاتي / قوات اللزوجة
إعادة = (ρ الخامس DV/DX) / (μ د2V / DX2)

المصطلح dV / dx هو التدرج في السرعة (أو المشتق الأول من السرعة) ، والذي يتناسب مع السرعة (الخامس) مقسوما على L، مما يمثل مقياس الطول ، مما يؤدي إلى dV / dx = V / L. المشتق الثاني هو أن د2V / DX2 = الخامس / ل2. استبدال هذه في للمشتقات الأول والثاني يؤدي إلى:

إعادة = (V V V/L) / (μ الخامس/L2)
إعادة = (L V L) / μ

يمكنك أيضًا القسمة على مقياس الطول L ، مما ينتج عنه أ عدد رينولدز لكل قدم، صمم ك رد و = الخامسν.

يشير رقم رينولدز المنخفض إلى التدفق الصفحي السلس. يشير رقم رينولدز المرتفع إلى التدفق الذي سيُظهر دوامات ودوامات وسيصبح بشكل عام أكثر اضطرابًا.

تدفق الأنابيب مقابل تدفق القناة المفتوحة

تدفق الأنابيب يمثل تدفقًا يتلامس مع حدود صلبة من جميع الجوانب ، مثل الماء الذي يتحرك عبر أنبوب (ومن هناه اسم "تدفق الأنابيب") أو الهواء الذي يتحرك عبر قناة هوائية.

تدفق قناة مفتوحة يصف التدفق في المواقف الأخرى التي يوجد فيها سطح حر واحد على الأقل غير ملامس لحدود صلبة. (من الناحية الفنية ، يشتمل السطح الحر على 0 إجهاد متوازي.) تشمل حالات التدفق المفتوح قناة المياه التي تتحرك عبر النهر ، والفيضانات ، وتدفق المياه أثناء المطر ، وتيارات المد والجزر ، وقنوات الري. في هذه الحالات ، يمثل سطح المياه المتدفقة ، حيث يكون الماء على اتصال بالهواء ، "السطح الحر" للتدفق.

يتم تشغيل التدفقات في أنبوب إما عن طريق الضغط أو الجاذبية ، ولكن التدفقات في المواقف المفتوحة القناة تكون مدفوعة فقط بالجاذبية. غالبًا ما تستخدم شبكات مياه المدينة أبراج المياه للاستفادة من ذلك ، بحيث يكون الفرق في ارتفاع الماء في البرج (theرئيس الهيدروديناميكية) يخلق فرق الضغط ، والذي يتم ضبطه بعد ذلك باستخدام المضخات الميكانيكية لتوصيل المياه إلى المواقع في النظام حيث تكون هناك حاجة إليها.

مضغوط مقابل غير قابل للضغط

يتم التعامل مع الغازات بشكل عام على أنها سوائل قابلة للإنضغاط حيث يمكن تقليل الحجم الذي يحتوي عليها. يمكن تقليل مجرى الهواء بمقدار النصف من الحجم ومازال يحمل نفس كمية الغاز بنفس المعدل. حتى عندما يتدفق الغاز عبر مجرى الهواء ، فإن بعض المناطق سيكون بها كثافة أعلى من المناطق الأخرى.

كقاعدة عامة ، يعني كونك غير قابل للضغط أن كثافة أي منطقة من السائل لا تتغير كدالة زمنية أثناء تحركها خلال التدفق. يمكن أيضًا ضغط السوائل ، بالطبع ، ولكن هناك المزيد من القيود على مقدار الضغط الذي يمكن صنعه. لهذا السبب ، عادةً ما يتم تصميم السوائل كما لو كانت غير قابلة للضغط.

مبدأ برنولي

مبدأ برنولي هو عنصر رئيسي آخر لديناميات الموائع ، التي نشرت في كتاب دانييل برنولي لعام 1738Hydrodynamica. ببساطة ، فهو يرتبط بزيادة السرعة في السائل لانخفاض الضغط أو الطاقة الكامنة. بالنسبة للسوائل غير القابلة للضغط ، يمكن وصف ذلك باستخدام ما يعرف باسم معادلة برنولي:

(الخامس2/2) + جي زد + ص/ρ = ثابت

أين ز هو التسارع بسبب الجاذبية ، ρ هو الضغط في جميع أنحاء السائل ،الخامس هي سرعة تدفق السوائل في نقطة معينة ، ض هو الارتفاع في تلك المرحلة ، و ص هو الضغط في تلك المرحلة. لأن هذا ثابت داخل السائل ، وهذا يعني أن هذه المعادلات يمكن أن تربط أي نقطتين ، 1 و 2 ، بالمعادلة التالية:

(الخامس12/2) + جي زد1 + ص1/ρ = (الخامس22/2) + جي زد2 + ص2/ρ

ترتبط العلاقة بين الضغط والطاقة المحتملة للسائل على أساس الارتفاع من خلال قانون باسكال.

تطبيقات ديناميات الموائع

ثلثي سطح الأرض هو الماء والكوكب محاط بطبقات من الغلاف الجوي ، لذلك نحن محاطون حرفيًا في جميع الأوقات بالسوائل ... دائمًا في الحركة.

بالتفكير في الأمر قليلاً ، هذا يجعل من الواضح أنه سيكون هناك الكثير من تفاعلات نقل السوائل بالنسبة لنا للدراسة والفهم العلمي. هنا تأتي ديناميات الموائع بالطبع ، لذلك لا يوجد نقص في الحقول التي تطبق مفاهيم من ديناميات الموائع.

هذه القائمة ليست شاملة على الإطلاق ، ولكنها تقدم نظرة عامة جيدة عن الطرق التي تظهر بها ديناميات الموائع في دراسة الفيزياء عبر مجموعة من التخصصات:

  • علم المحيطات والأرصاد الجوية وعلوم المناخ - نظرًا لأن الغلاف الجوي على غرار السوائل ، فإن دراسة علوم الغلاف الجوي والتيارات البحرية ، التي تعتبر ضرورية لفهم أنماط الطقس واتجاهات المناخ والتنبؤ بها ، تعتمد بشكل كبير على ديناميات الموائع.
  • علم الطيران - تتضمن فيزياء ديناميات الموائع دراسة تدفق الهواء لإنشاء السحب والرفع ، الأمر الذي يولد بدوره القوى التي تسمح بالطيران الأثقل من الهواء.
  • الجيولوجيا والجيوفيزياء - تتضمن الصفائح التكتونية دراسة حركة المادة الساخنة داخل النواة السائلة للأرض.
  • أمراض الدم وديناميكا الدم -تشمل الدراسة البيولوجية للدم دراسة الدورة الدموية من خلال الأوعية الدموية ، ويمكن نمذجة الدورة الدموية باستخدام أساليب ديناميات الموائع.
  • فيزياء البلازما - على الرغم من عدم وجود سائل أو غاز ، فإن البلازما تتصرف غالبًا بطرق مشابهة للسوائل ، لذا يمكن أيضًا نمذجة النماذج باستخدام ديناميكا الموائع.
  • الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات - تتضمن عملية التطور النجمي تغيير النجوم بمرور الوقت ، والذي يمكن فهمه من خلال دراسة كيفية تدفق البلازما التي تتكون منها النجوم وتتفاعل داخل النجم بمرور الوقت.
  • تحليل حركة المرور - ربما يكون أحد أكثر تطبيقات ديناميات السوائل إثارة للدهشة هو فهم حركة المرور ، سواء حركة مرور السيارات أو حركة مرور المشاة. في المناطق التي تكون فيها حركة المرور كثيفة بدرجة كافية ، يمكن التعامل مع كامل حركة المرور ككيان واحد يتصرف بطرق مشابهة تقريبًا بدرجة كافية لتدفق المائع.

أسماء بديلة لديناميات الموائع

ديناميات الموائع يشار إليها أحيانًا أيضًا باسم علم قوة الموائع، على الرغم من أن هذا هو أكثر من مصطلح تاريخي. طوال القرن العشرين ، أصبحت عبارة "ديناميات الموائع" شائعة الاستخدام.

من الناحية الفنية ، قد يكون من الأنسب القول إن الديناميكا المائية هي عندما يتم تطبيق ديناميات الموائع على السوائل المتحركة و الديناميكا الهوائية هو عندما يتم تطبيق ديناميات الموائع على الغازات المتحركة.

ومع ذلك ، في الممارسة العملية ، تستخدم الموضوعات المتخصصة مثل الاستقرار الهيدروديناميكي والديناميكا المغناطيسية البادئة "المائية" حتى عندما يتم تطبيق هذه المفاهيم على حركة الغازات.


شاهد الفيديو: La CONTAMINACIÓN del AIRE ESCONDE el CALENTAMIENTO GLOBAL (ديسمبر 2022).

Video, Sitemap-Video, Sitemap-Videos