Градиент давления: определение, применение и значение в различных областях
Pressure gradient
Градиент давления: определение, единицы измерения (Па/м, psi/ft), применение в гидродинамике, гидростатике и нефтегазовой отрасли. Важный параметр для расчетов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Скорость пространственного изменения давления в заданном направлении
Space rate of variation of pressure in a given direction
В гидродинамике и гидростатике градиент давления (обычно воздуха, но в более общем случае любой жидкости) – это физическая величина, описывающая направление и скорость наиболее быстрого увеличения давления в окрестности определенной точки. Градиент давления является размерной величиной, выражаемой в паскалях на метр (Па/м). Математически он представляет собой градиент давления как функции положения. В гидростатике градиент давления равен объёмной плотности силы (обобщённый закон Стевина). В нефтяной геологии и нефтехимических науках, связанных с нефтяными скважинами, и в частности в гидростатике, градиенты давления относятся к градиенту вертикального давления в колонне жидкости внутри ствола скважины и обычно выражаются в фунтах на квадратный дюйм на фут (psi/ft). Эта колонна жидкости подвергается суммарному градиенту давления вышележащих жидкостей. Траектория и геометрия колонны совершенно не имеют значения; только вертикальная глубина колонны имеет отношение к вертикальному давлению в любой её точке и градиенту давления на заданной истинной вертикальной глубине.
In hydrodynamics and hydrostatics, the pressure gradient (typically of air but more generally of any fluid) is a physical quantity that describes in which direction and at what rate the pressure increases the most rapidly around a particular location. The pressure gradient is a dimensional quantity expressed in units of pascals per metre (Pa/m). Mathematically, it is the gradient of pressure as a function of position. The gradient of pressure in hydrostatics is equal to the body force density (generalised Stevin's Law). In petroleum geology and the petrochemical sciences pertaining to oil wells, and more specifically within hydrostatics, pressure gradients refer to the gradient of vertical pressure in a column of fluid within a wellbore and are generally expressed in pounds per square inch per foot (psi/ft). This column of fluid is subject to the compound pressure gradient of the overlying fluids. The path and geometry of the column is totally irrelevant; only the vertical depth of the column has any relevance to the vertical pressure of any point within its column and the pressure gradient for any given true vertical depth.
Физическая интерпретация
Понятие градиента давления является локальной характеристикой воздуха (в более общем смысле – исследуемой жидкости). Градиент давления определяется только в тех пространственных масштабах, в которых определено само давление (в более общем смысле – динамика жидкости). В планетарных атмосферах (включая атмосферу Земли) градиент давления – это вектор, направленный преимущественно вниз, поскольку давление изменяется наиболее быстро по вертикали, увеличиваясь с глубиной (см. Вертикальное изменение давления). Величина (или модуль) градиента давления в тропосфере обычно составляет порядка 9 Па/м (или 90 гПа/км). Градиент давления часто имеет небольшую, но критически важную горизонтальную составляющую, которая в значительной степени ответственна за циркуляцию ветров в атмосфере. Горизонтальный градиент давления – это двумерный вектор, являющийся результатом проекции градиента давления на локальную горизонтальную плоскость. Вблизи поверхности Земли эта горизонтальная сила градиента давления направлена от области высокого давления к области низкого давления. Его конкретная ориентация в любой момент времени и в любом месте сильно зависит от синоптической ситуации. На средних широтах типичный горизонтальный градиент давления может достигать значений порядка 10−2 Па/м (или 10 Па/км), хотя более высокие значения наблюдаются в метеорологических фронтах.
The concept of a pressure gradient is a local characterisation of the air (more generally of the fluid under investigation). The pressure gradient is defined only at these spatial scales at which pressure (more generally fluid dynamics) itself is defined. Within planetary atmospheres (including the Earth's), the pressure gradient is a vector pointing roughly downwards, because the pressure changes most rapidly vertically, increasing downwards (see vertical pressure variation). The value of the strength (or norm) of the pressure gradient in the troposphere is typically of the order of 9 Pa/m (or 90 hPa/km). The pressure gradient often has a small but critical horizontal component, which is largely responsible for wind circulation in the atmosphere. The horizontal pressure gradient is a two dimensional vector resulting from the projection of the pressure gradient onto a local horizontal plane. Near the Earth's surface, this horizontal pressure gradient force is directed from higher toward lower pressure. Its particular orientation at any one time and place depends strongly on the weather situation. At mid latitudes, the typical horizontal pressure gradient may take on values of the order of 10−2 Pa/m (or 10 Pa/km), although rather higher values occur within meteorological fronts.
Значение погоды и климата
Интерпретация различий в атмосферном давлении между различными точками является фундаментальным компонентом многих метеорологических и климатологических дисциплин, включая прогнозирование погоды. Как указано выше, градиент давления составляет одну из главных сил, воздействующих на воздух и приводящих его в движение в виде ветра. Важно отметить, что сила градиента давления направлена от областей высокого давления к областям низкого давления. Таким образом, она ориентирована в направлении, противоположном направлению самого градиента давления.
Interpreting differences in air pressure between different locations is a fundamental component of many meteorological and climatological disciplines, including weather forecasting. As indicated above, the pressure gradient constitutes one of the main forces acting on the air to make it move as wind. Note that the pressure gradient force points from high towards low pressure zones. It is thus oriented in the opposite direction from the pressure gradient itself.
В акустике
В акустике градиент давления пропорционален ускорению частиц среды согласно уравнению Эйлера. Звуковые и ударные волны могут создавать очень большие градиенты давления, однако эти градиенты носят колебательный и часто временный характер.
In acoustics, the pressure gradient is proportional to the sound particle acceleration according to Euler's equation. Sound waves and shock waves can induce very large pressure gradients, but these are oscillatory, and often transitory disturbances.