พลวัตของเหลวคือ "สาขาวิทยาศาสตร์ประยุกต์ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวของของเหลวและก๊าซ" ตามพจนานุกรมมรดกอเมริกัน การเปลี่ยนแปลงของของเหลวเป็นหนึ่งในสองสาขาของกลศาสตร์ของไหลซึ่งเป็นการศึกษาของของเหลวและวิธีการที่กองกำลังส่งผลกระทบต่อพวกเขา (สาขาอื่นคือสถิติของเหลวซึ่งเกี่ยวข้องกับของเหลวที่เหลือ)
นักวิทยาศาสตร์ในหลายสาขาศึกษาพลวัตของเหลว Dynamics ของเหลวมีวิธีการศึกษาวิวัฒนาการของดวงดาว-กระแสน้ำในมหาสมุทรรูปแบบสภาพอากาศแผ่นเปลือกโลกและแม้กระทั่งการไหลเวียนโลหิต- การใช้งานทางเทคโนโลยีที่สำคัญบางอย่างของการเปลี่ยนแปลงของของเหลว ได้แก่ เครื่องยนต์จรวดกังหันลมท่อน้ำมันและเครื่องปรับอากาศระบบ
Flow คืออะไร?
การเคลื่อนไหวของของเหลวและก๊าซโดยทั่วไปเรียกว่า "การไหล" แนวคิดที่อธิบายว่าของเหลวทำงานอย่างไรและวิธีการโต้ตอบกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ - ตัวอย่างเช่นน้ำเคลื่อนผ่านช่องทางหรือท่อหรือพื้นผิว การไหลอาจคงที่หรือไม่มั่นคง ในบันทึกการบรรยายของเขา "การบรรยายในการเปลี่ยนแปลงของของเหลวประถม"(University of Kentucky, 2009) JM McDonough ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมของมหาวิทยาลัยเคนตักกี้เขียน" หากคุณสมบัติทั้งหมดของการไหลเป็นอิสระจากเวลา มิฉะนั้นมันไม่คงที่ "นั่นคือการไหลคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาตัวอย่างของการไหลคงที่จะไหลผ่านท่อในอัตราคงที่ในทางกลับกันน้ำท่วมหรือน้ำที่ไหลออกมาจากปั๊มมือสมัยเก่าเป็นตัวอย่างของการไหลที่ไม่มั่นคง
การไหลอาจเป็นได้ทั้งแบบราบเรียบหรือปั่นป่วน การไหลของ Laminar นั้นราบรื่นขึ้นในขณะที่การไหลแบบปั่นป่วนมีความวุ่นวายมากขึ้น ปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่งในการกำหนดสถานะของการไหลของของเหลวคือความหนืดหรือความหนาซึ่งความหนืดที่สูงขึ้นจะเพิ่มแนวโน้มของการไหลให้เป็นแบบราบเรียบ Patrick McMurtry ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมของมหาวิทยาลัยยูทาห์อธิบายถึงความแตกต่างในบันทึกย่อชั้นเรียนออนไลน์ของเขา "ข้อสังเกตเกี่ยวกับการไหลแบบปั่นป่วน"(University of Utah, 2000), ระบุ" โดยการไหลของลามินาร์โดยทั่วไปเรามักจะอ้างถึงการเคลื่อนไหวของของเหลวที่ราบรื่นและมั่นคง ในการไหลแบบปั่นป่วนกองกำลังอื่นอาจทำหน้าที่ต่อต้านการกระทำของความหนืด "
การไหลแบบราบเรียบเป็นที่ต้องการในหลาย ๆ สถานการณ์เช่นในระบบระบายน้ำหรือปีกเครื่องบินเพราะมันมีประสิทธิภาพมากขึ้นและพลังงานน้อยลงจะหายไป การไหลแบบปั่นป่วนอาจเป็นประโยชน์สำหรับการทำให้ของเหลวต่างกันผสมกันหรือเพื่อการทำให้อุณหภูมิเท่ากัน จากข้อมูลของ McDonough การไหลของความสนใจส่วนใหญ่เป็นปั่นป่วน อย่างไรก็ตามการไหลดังกล่าวอาจเป็นเรื่องยากมากที่จะทำนายรายละเอียดและแยกแยะระหว่างการไหลทั้งสองประเภทนี้เป็นเรื่องง่าย
ปัจจัยสำคัญในการไหลของของไหลคือจำนวน Reynolds ของของเหลว (อีกครั้ง) ซึ่งได้รับการตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ศตวรรษที่ 19 ออสบอร์นเรย์โนลด์สแม้ว่ามันจะถูกอธิบายครั้งแรกในปี ค.ศ. 1851 โดยนักฟิสิกส์George Gabriel Stokes- McDonough ให้คำจำกัดความของอีกครั้งในฐานะ "อัตราส่วนของแรงเฉื่อยต่อแรงหนืด" แรงเฉื่อยคือความต้านทานของของเหลวต่อการเปลี่ยนแปลงของการเคลื่อนไหวและแรงหนืดคือปริมาณของแรงเสียดทานเนื่องจากความหนืดหรือความหนาของของเหลว โปรดทราบว่าอีกครั้งไม่เพียง แต่เป็นคุณสมบัติของของเหลวเท่านั้น นอกจากนี้ยังรวมถึงเงื่อนไขของการไหลของมันเช่นความเร็วและขนาดและรูปร่างของท่อร้อยสายหรือสิ่งกีดขวางใด ๆ
ที่ต่ำอีกครั้งการไหลมีแนวโน้มที่จะราบรื่นหรือลามินาร์ในขณะที่สูงอีกครั้งการไหลมีแนวโน้มที่จะปั่นป่วนก่อตัวเป็นเอ็ดดี้และกระแสน้ำวนอีกครั้งสามารถใช้ในการทำนายว่าก๊าซหรือของเหลวจะไหลไปรอบ ๆ สิ่งกีดขวางในลำธารได้อย่างไรเช่นน้ำรอบสะพานซ้อนหรือลมเหนือปีกเครื่องบิน จำนวนยังสามารถใช้ในการทำนายความเร็วที่การเปลี่ยนการไหลจากลามินาร์เป็นปั่นป่วน
การไหลของของเหลว
การศึกษาการไหลของของเหลวเรียกว่าอุทกพลศาสตร์ ในขณะที่ของเหลวรวมสารทุกชนิดเช่นน้ำมันและสารละลายสารเคมีโดยที่ของเหลวที่พบมากที่สุดคือน้ำและการใช้งานส่วนใหญ่สำหรับอุทกพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับการจัดการการไหลของของเหลวนี้ ซึ่งรวมถึงการควบคุมน้ำท่วมการทำงานของระบบน้ำในเมืองและระบบท่อระบายน้ำและการจัดการทางน้ำที่สามารถเดินเรือได้ -แกลลอรี่: ภาพฝันเผยความงามทางฟิสิกส์-
อุทกพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับการไหลของน้ำเป็นหลักในท่อหรือช่องเปิด บันทึกการบรรยายของศาสตราจารย์ด้านธรณีวิทยาจอห์นเซาท์ราร์ดจากหลักสูตรออนไลน์ "บทนำเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของเหลว"(Massachusetts Institute of Technology, 2006), ร่างความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการไหลของท่อและการไหลของช่องเปิด:" ไหลในท่อร้อยสายปิดหรือช่องเช่นท่อหรือท่ออากาศมีการสัมผัสกับขอบเขตที่แข็ง " คลองชลประทานหรือแผ่นน้ำไหลข้ามพื้นผิวหลังจากฝนตก "
เนื่องจากความแตกต่างในขอบเขตเหล่านั้นแรงที่แตกต่างกันส่งผลกระทบต่อการไหลทั้งสองประเภท ตามสก็อตต์โพสต์ในหนังสือของเขา "กลไกที่ใช้และการคำนวณของเหลว, "(Jones & Bartlett, 2009)," ในขณะที่การไหลในท่อปิดอาจถูกขับเคลื่อนด้วยความดันหรือแรงโน้มถ่วงการไหลในช่องเปิดจะถูกขับเคลื่อนด้วยแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว "ความดันถูกกำหนดโดยความสูงของของเหลวเหนือจุดวัด แรงดันมากขึ้นโดยใช้ปั๊มกล
การไหลของก๊าซ
การไหลของก๊าซมีความคล้ายคลึงกันมากมายกับการไหลของของเหลว แต่ก็มีความแตกต่างที่สำคัญ ประการแรกก๊าซสามารถบีบอัดได้ในขณะที่ของเหลวมักจะถูกพิจารณาว่าไม่สามารถบีบอัดได้ ใน "พื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงของของเหลวที่บีบอัดได้"(Prentice-Hall, 2006), ผู้แต่ง P. Balachandran อธิบายของเหลวที่บีบอัดได้ระบุ" หากความหนาแน่นของของเหลวเปลี่ยนไปอย่างเห็นได้ชัดตลอดระยะการไหลการไหลอาจได้รับการรักษาเป็นกระแสการบีบอัด "มิฉะนั้นของเหลวจะถูกบีบอัด
ก๊าซที่พบบ่อยที่สุดในชีวิตประจำวันคืออากาศ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงให้ความสนใจกับสภาพการไหลของมันมาก ลมทำให้อากาศเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ อาคารและโครงสร้างอื่น ๆ และสามารถเคลื่อนย้ายโดยปั๊มและพัดลม
สิ่งหนึ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษคือการเคลื่อนไหวของวัตถุผ่านชั้นบรรยากาศ การเปลี่ยนแปลงของของเหลวสาขานี้เรียกว่าอากาศพลศาสตร์ซึ่งเป็น "พลวัตของร่างกายที่เคลื่อนไหวเมื่อเทียบกับก๊าซโดยเฉพาะอย่างยิ่งการทำงานร่วมกันของวัตถุที่เคลื่อนที่กับบรรยากาศ" ตามพจนานุกรมมรดกอเมริกัน ปัญหาในสาขานี้เกี่ยวข้องกับการลดการลากบนร่างกายรถยนต์ออกแบบเครื่องบินและกังหันลมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและศึกษาว่านกและแมลงบินได้อย่างไร
หลักการของ Bernoulli
โดยทั่วไปการเคลื่อนที่ของเหลวที่ความเร็วสูงกว่าจะมีความดันต่ำกว่าการเคลื่อนที่ของของเหลวที่ความเร็วต่ำกว่า ปรากฏการณ์นี้ได้รับการอธิบายครั้งแรกโดยDaniel Bernoulliในปี ค.ศ. 1738 ในหนังสือของเขา "อุทกพลศาสตร์"และเป็นที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นหลักการของ Bernoulli สามารถนำไปใช้ในการวัดความเร็วของของเหลวหรือก๊าซที่เคลื่อนที่ในท่อหรือช่องทางหรือเหนือพื้นผิว
หลักการนี้ยังรับผิดชอบในการยกปีกเครื่องบินซึ่งเป็นสาเหตุที่เครื่องบินสามารถบินได้ เนื่องจากปีกแบนด้านล่างและโค้งที่ด้านบนอากาศจึงต้องเดินทางไกลกว่าพื้นผิวด้านบนมากกว่าด้านล่าง ในการทำเช่นนี้มันจะต้องไปที่ด้านบนมากขึ้นทำให้ความดันลดลง สิ่งนี้ทำให้อากาศแรงดันสูงขึ้นที่ด้านล่างยกขึ้นบนปีก
ปัญหาในการเปลี่ยนแปลงของของเหลว
นักวิทยาศาสตร์มักจะพยายามมองเห็นการไหลโดยใช้ตัวเลขที่เรียกว่าความคล่องตัวเส้นแนวและเส้นทาง McDonough กำหนดความคล่องตัวเป็น "เส้นต่อเนื่องภายในของเหลวเพื่อให้แทนเจนต์ในแต่ละจุดคือทิศทางของเวกเตอร์ความเร็ว ณ จุดนั้น" กล่าวอีกนัยหนึ่งความคล่องตัวแสดงทิศทางของการไหลที่จุดใดจุดหนึ่งในการไหล Streakline ตาม McDonough คือ "สถานที่ [ตำแหน่ง] ขององค์ประกอบของเหลวทั้งหมดที่เคยผ่านจุดที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้" เขาเขียนเส้นทาง (หรือเส้นทางอนุภาค) คือ "วิถีขององค์ประกอบของของเหลว" หากโฟลว์ไม่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาเส้นทางจะเหมือนกับการปรับปรุง อย่างไรก็ตามในกรณีของการไหลแบบปั่นป่วนหรือไม่คงที่เส้นเหล่านี้อาจแตกต่างกันมาก
ปัญหาส่วนใหญ่ในพลวัตของเหลวนั้นซับซ้อนเกินกว่าที่จะแก้ไขได้โดยการคำนวณโดยตรง ในกรณีเหล่านี้ปัญหาจะต้องแก้ไขด้วยวิธีตัวเลขโดยใช้การจำลองคอมพิวเตอร์ พื้นที่การศึกษานี้เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงเชิงตัวเลขหรือการคำนวณของเหลว (CFD) ซึ่ง Southard กำหนดว่า "สาขาของวิทยาศาสตร์ที่ใช้คอมพิวเตอร์ที่ให้การคาดการณ์เชิงตัวเลขของการไหลของของไหล" อย่างไรก็ตามเนื่องจากการไหลแบบปั่นป่วนมีแนวโน้มที่จะไม่เชิงเส้นและวุ่นวายต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษในการตั้งค่ากฎและเงื่อนไขเริ่มต้นสำหรับการจำลองเหล่านี้ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยที่จุดเริ่มต้นอาจส่งผลให้เกิดความแตกต่างอย่างมากในผลลัพธ์
ความแม่นยำของการจำลองสามารถปรับปรุงได้โดยการแบ่งปริมาตรออกเป็นภูมิภาคเล็ก ๆ และใช้ขั้นตอนเวลาที่เล็กลง แต่สิ่งนี้จะเพิ่มเวลาในการคำนวณ ด้วยเหตุนี้ CFD จึงควรเพิ่มขึ้นเมื่อกำลังคำนวณเพิ่มขึ้น
Jim Lucas เป็นนักเขียนและบรรณาธิการอิสระที่เชี่ยวชาญด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์และวิศวกรรม เขาเป็นผู้จัดการทั่วไปของLucas Technologies-
