Введение
Механика жидкостей - это раздел физики, связанный с механикой жидкостей (жидкостей, газов и плазмы) и силами, действующими на них. Он имеет применение в широком спектре дисциплин, включая механическую, аэрокосмическую, гражданскую, химическую и биомедицинскую инженерию, а также геофизику, океанографию, метеорологию, астрофизику и биологию. Его можно разделить на статику жидкости, изучение жидкостей в состоянии покоя; и динамику жидкости, изучение влияния сил на движение жидкости. Это раздел механики континуума, предмет, который моделирует материю без использования информации о том, что она состоит из атомов; то есть, он моделирует материю с макроскопической точки зрения, а не с микроскопической. Механика жидкостей, особенно динамика жидкостей, является активной областью исследований, обычно математически сложной. Многие проблемы частично или полностью не решены и лучше всего решаются численными методами, обычно с использованием компьютеров. Современная дисциплина, называемая вычислительной динамикой жидкостей (CFD), посвящена этому подходу. Скоростометрическая изобразительная система, экспериментальный метод визуализации и анализа потока жидкости, также использует преимущества высоко визуальной природы потока жидкости.
Fluid mechanics is the branch of physics concerned with the mechanics of fluids (liquids, gases, and plasmas) and the forces on them. It has applications in a wide range of disciplines, including mechanical, aerospace, civil, chemical, and biomedical engineering, as well as geophysics, oceanography, meteorology, astrophysics, and biology. It can be divided into fluid statics, the study of fluids at rest; and fluid dynamics, the study of the effect of forces on fluid motion. It is a branch of continuum mechanics, a subject which models matter without using the information that it is made out of atoms; that is, it models matter from a macroscopic viewpoint rather than from microscopic. Fluid mechanics, especially fluid dynamics, is an active field of research, typically mathematically complex. Many problems are partly or wholly unsolved and are best addressed by numerical methods, typically using computers. A modern discipline, called computational fluid dynamics (CFD), is devoted to this approach. Particle image velocimetry, an experimental method for visualizing and analyzing fluid flow, also takes advantage of the highly visual nature of fluid flow.
История
Изучение механики жидкостей восходит, по крайней мере, к временам Древней Греции, когда Архимед исследовал статику жидкости и плавучесть и сформулировал свой знаменитый закон, известный сейчас как принцип Архимеда, который был опубликован в его работе "О плавучих телах", обычно считающейся первой крупной работой по механике жидкостей. Иранский ученый Абу Райхан Бируни, а позже Аль Хазини применили экспериментальные научные методы к механике жидкостей. Быстрый прогресс в механике жидкостей начался с Леонардо да Винчи (наблюдения и эксперименты), Эвангелиста Торричелли (изобретал барометр), Исаака Ньютона (исследование вязкости) и Блез Паскаль (исследование гидростатики, формулирование закона Паскаля), и был продолжен Даниэлем Бернулли с введением математической динамики жидкостей в Гидродинамике (1739). Невидимое течение было дополнительно проанализировано различными математиками (Жан Ле Ронд д'Алембер, Джозеф Луи Лагранж, Пьер Симон Лаплас, Симеон Денис Пуассон), а вязкое течение было исследовано множеством инженеров, включая Жана Леонарда Мари Пуасюиля и Готтильфа Хагена. Дальнейшее математическое обоснование было предоставлено Клодом Луи Навье и Джорджем Габриэлем Стоуксом в уравнениях Навье-Стокса, и были исследованы пограничные слои (Людвиг Прандтл, Теодор фон Карман), в то время как различные ученые, такие как Осборн Рейнольдс, Андрей Колмогоров и Джеффри Инграм Тейлор, продвинули понимание вязкости и турбулентности жидкости.
Статика жидкости
Статика жидкости или гидростатика - это раздел механики жидкостей, изучающий жидкости в состоянии покоя. Он охватывает изучение условий, при которых жидкости находятся в состоянии покоя в стабильном равновесии; и контрастирует с динамикой жидкостей, изучением жидкостей в движении. Гидростатика дает физические объяснения многим явлениям повседневной жизни, например, почему атмосферное давление меняется с высотой, почему древесина и нефть плавают на воде и почему поверхность воды всегда ровная, независимо от формы ее емкости. Гидростатика является основополагающим элементом гидравлики, инженерии оборудования для хранения, транспортировки и использования жидкостей. Это также имеет отношение к некоторым аспектам геофизики и астрофизики (например, в понимании тектоники плит и аномалий в гравитационном поле Земли), к метеорологии, медицине (в контексте артериального давления) и многим другим областям.
Динамика жидкостей
Динамика жидкостей - это поддисциплина механики жидкостей, которая занимается потоками жидкостей - наукой о жидкостях и газах в движении. Динамика жидкостей предлагает систематическую структуру, которая лежит в основе этих практических дисциплин, которая охватывает эмпирические и полуэмпирические законы, полученные из измерения потока и используемые для решения практических проблем. Решение проблемы динамики жидкости обычно включает в себя вычисление различных свойств жидкости, таких как скорость, давление, плотность и температура, как функции пространства и времени. Она имеет несколько поддисциплин, включая аэродинамику (изучение воздуха и других газов в движении) и гидродинамику (изучение жидкостей в движении). Динамика жидкостей имеет широкий спектр применений, включая расчет сил и движений на самолетах, определение скорости массового потока нефти по трубопроводам, прогнозирование эволюционирующих погодных условий, понимание туманностей в межзвездном пространстве и моделирование взрывов. Некоторые принципы динамики жидкости используются в инженерной дорожной системе и динамике толпы.
Связь с механикой континуума
Механика жидкостей является поддисциплиной механики континуума, как показано в следующей таблице. С механической точки зрения, жидкость - это вещество, которое не выдерживает сдвижного напряжения; поэтому жидкость в состоянии покоя имеет форму сосуда, содержащего его. Жидкость в состоянии покоя не имеет сдвижного напряжения.
Уравнения Навье-Стокса
Уравнения Навье-Стокса (названные в честь Клода Луи Навье и Джорджа Габриэля Стокса) - это дифференциальные уравнения, которые описывают баланс сил в данной точке внутри жидкости. Для не сжимаемой жидкости с векторным скоростным полем, уравнения Навье-Стокса являются аналогами для деформируемых материалов уравнениям Ньютона движения частиц. Уравнения Навье-Стокса описывают изменения импульса (силы) в ответ на давление и вязкость, параметрируемые кинематической вязкостью. Иногда к уравнениям добавляются силы тела, такие как сила гравитации или сила Лоренца. Решение уравнений Навье-Стокса для данной физической задачи должно быть найдено с помощью исчисления. На практике только самые простые случаи могут быть решены именно таким образом. В этих случаях обычно используется нетурбулентный, устойчивый поток, в котором число Рейнольдса невелико. Для более сложных случаев, особенно связанных с турбулентностью, таких как глобальные погодные системы, аэродинамика, гидродинамика и многие другие, решения уравнений Навье-Стокса в настоящее время могут быть найдены только с помощью компьютеров. Эта отрасль науки называется вычислительная динамика жидкостей.
These differential equations are the analogues for deformable materials to Newton's equations of motion for particles – the Navier–Stokes equations describe changes in momentum (force) in response to pressure and viscosity, parameterized by the kinematic viscosity Occasionally, body forces, such as the gravitational force or Lorentz force are added to the equations. Solutions of the Navier–Stokes equations for a given physical problem must be sought with the help of calculus. In practical terms, only the simplest cases can be solved exactly in this way. These cases generally involve non turbulent, steady flow in which the Reynolds number is small. For more complex cases, especially those involving turbulence, such as global weather systems, aerodynamics, hydrodynamics and many more, solutions of the Navier–Stokes equations can currently only be found with the help of computers. This branch of science is called computational fluid dynamics.
Невиссидные и вязкие жидкости
Невискозная жидкость не имеет вязкости. На практике, невискозный поток является идеализацией, которая облегчает математическое обращение. На самом деле, чисто нежидкие потоки, как известно, реализуются только в случае сверхжидкости. В противном случае жидкости обычно вязкие, свойство, которое часто является наиболее важным в пределах пограничного слоя рядом с твердой поверхностью, где поток должен соответствовать условию отсутствия скольжения в твердом веществе. В некоторых случаях математику механической системы жидкости можно рассматривать, предполагая, что жидкость вне пограничных слоев является нежидкой, а затем сопоставлять ее раствор с раствором для тонкого ламинарного пограничного слоя. Для потока жидкости через пористую границу скорость жидкости может быть непрерывной между свободной жидкостью и жидкостью в пористой среде (это связано с условием Биверса и Джозефа). Кроме того, при низких скоростях дозвука полезно предположить, что газ не сжимается, то есть плотность газа не меняется, даже если изменяется скорость и статическое давление.
Ньютоновские и не ньютоновские жидкости
Ньютоновская жидкость (названная в честь Исаака Ньютона) определяется как жидкость, чей сдвиговое напряжение линейно пропорционально градиенту скорости в направлении перпендикулярном плоскости сдвига. Это определение означает, что независимо от сил, действующих на жидкость, она продолжает течь. Например, вода является ньютоновской жидкостью, потому что она продолжает проявлять свойства жидкости, независимо от того, насколько она перемешивается или смешивается. Немного менее строгое определение заключается в том, что сопротивление небольшого объекта, медленно перемещаемого через жидкость, пропорционально силе, применяемой к объекту. (Сравните трение). Важные жидкости, такие как вода, а также большинство газов, ведут себя "до хорошего приближения" как ньютоновская жидкость в нормальных условиях на Земле. Напротив, перемешивание не ньютоновской жидкости может оставить "дыру". Это постепенно заполняется с течением времени - такое поведение наблюдается в таких материалах, как пудинг, овсянка или песок (хотя песок не является строго жидкостью). Кроме того, перемешивание не ньютоновской жидкости может привести к уменьшению вязкости, поэтому жидкость кажется "тонче" (это видно в не капельных красках). Существует много типов не ньютоновских жидкостей, поскольку они определяются как нечто, что не подчиняется определенному свойству. Например, большинство жидкостей с длинными молекулярными цепями могут реагировать не ньютоновским образом.