La dinámica flúida es la subdisciplina de los mecánicos flúidos que tratan de los líquidos (líquidos y gases en el movimiento. Tiene varias subdisciplinas sí mismo, incluyendo la aerodinámica (el estudio de gases en el movimiento) y la hidrodinámica (el estudio del flujo flúido ideal). La dinámica flúida tiene una amplia gama de usos, incluyendo las fuerzas calculadoras y los momentos en los aviones, determinando el flujo total del petróleo a través de tuberías, de patrones del tiempo que predicen, entendiendo las nebulosas en espacio interestelar y modelando según se informa la detonación del arma de la fisión. Algunos de sus principios incluso se utilizan en la ingeniería de tráfico, donde el tráfico se trata como líquido continuo.

La dinámica flúida ofrece una estructura sistemática que sea la base de estas disciplinas prácticas y que abrace leyes empíricas y semi-empirical, derivada de la medida del flujo, usada para solucionar problemas prácticos. La solución de un problema de la dinámica flúida implica típicamente el cálculo de las varias características del líquido, tales como velocidad, presión, densidad, y temperatura, como funciones del espacio y del tiempo.

Ecuaciones de las dinámicas flúidas y de la aerodinámica

Los axiomas fundacionales de las dinámicas flúidas son las leyes de conservación específicamente, conservación de la masa, conservación linear del ímpetu (también conocido como ley de segundo de Newton del movimiento ), y conservación de la energía (también conocida como primera ley de la termodinámica ). Éstos se basan en los mecánicos clásicos y se modifican en los mecánicos de Quantum y la relatividad general . Se expresan usar el teorema del transporte de Reynolds.

Además del antedicho, los líquidos se asumen para obedecer la asunción de la serie continua del . Los líquidos se componen de las moléculas que chocan el uno con el otro y los objetos sólidos. Sin embargo, la asunción de la serie continua considera los líquidos ser continuos, algo que discreta. Por lo tanto, las características tales como densidad, la presión, la temperatura, y la velocidad se toman para estar bien definidas en los puntos infinitesimal pequeños, y se asumen para variar continuamente a partir de un punto a otro. Se no hace caso el hecho de que el líquido esté compuesto de moléculas discretas.

Para los líquidos que son suficientemente densos ser una serie continua, no contienen especie ionizada, y tienen velocidades pequeñas en lo referente a la velocidad de la luz, las ecuaciones del ímpetu para el que los líquidos neutonianos son el Navier-Alimentan las ecuaciones, que son el no linear fijado de las ecuaciones diferenciales que describen el flujo de un líquido cuya tensión dependa linear de gradientes y de la presión de la velocidad. Las ecuaciones unsimplified no tienen una solución general de la forma cerrada, así que son solamente de uso en la dinámica flúida de cómputo o cuando pueden ser simplificadas. Las ecuaciones se pueden simplificar de un número de maneras, que las hacen más fáciles solucionar. Algunas de ellas permiten que los problemas apropiados de la dinámica flúida sean solucionados en forma cerrada.

Además de la masa, del ímpetu, y de las ecuaciones del ahorro de energía, una ecuación estado termodinámica que da la presión en función de otras variables termodinámicas para el líquido se requiere especificar totalmente el problema. Un ejemplo de esto sería la ecuación de gas perfecto estado : $p=\; del$

l \ frac {\ rho R_u T} {M}

donde $p$ es la presión, el $\backslash \; rho$ es la densidad, $R\_u$ es el constante de gas, $M$ es la masa molecular y $T$ es la temperatura .

Compresible contra flujo incompresible

Todos los líquidos son el compresible hasta cierto punto, ése es cambios en la presión o la temperatura dará lugar a cambios en densidad. Sin embargo, en muchas situaciones los cambios en la presión y la temperatura son suficientemente pequeños que los cambios en densidad son insignificantes. En este caso el flujo se puede modelar como flujo incompresible . Si no las ecuaciones compresibles del flujo de un más general deben ser utilizadas.

Matemáticamente, el incompressibility es expresado diciendo que el $\backslash \; rho$ de la densidad de un paquete flúido no cambia como se mueve en el campo de flujo, es decir, $del\; \backslash \; frac\; \{\backslash \; el\; mathrm\; \{\}\; \backslash \; rho\; de\; D\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{D\}\; t\}\; =\; 0\; \backslash ,$ donde está el derivado/\ mathrm {D} t del $\backslash \; del\; mathrm\; \{D\}\; substancial,\; que\; es\; la\; suma\; de\; los\; derivados\; convectivos\; del\; local\; y.\; Este\; constreñimiento\; adicional\; simplifica\; las\; ecuaciones\; de\; gobierno,\; especialmente\; en\; el\; casocuandoel\; líquido\; tiene\; una\; densidad\; uniforme.$

Para el flujo de gases, determinar si utilizar dinámica flúida compresible o incompresible, el número de Mach del flujo debe ser evaluado. Como guía áspera, los efectos compresibles se pueden no hacer caso en los números de Mach debajo de aproximadamente 0. Para los líquidos, si la asunción incompresible es válida depende de las características flúidas (específicamente la presión crítica y la temperatura del líquido) y de las condiciones de flujo (cómo cerca de la presión crítica la presión real del flujo se convierte). Los problemas acústicos requieren siempre permitir compresibilidad, desde ondas acústicas son ondas de compresión que implican cambios en la presión y la densidad del medio con el cual propagan.

Viscoso contra flujo no viscoso

Los problemas viscosos son los en las cuales la fricción flúida tiene efectos significativos en el movimiento flúido.

El número de Reynolds se puede utilizar para evaluar si las ecuaciones viscosas o no viscosas son apropiadas al problema.

El alimenta el flujo es flujo en los números de Reynolds muy bajos, tales que las fuerzas de inercia se pueden descuidar compararon a las fuerzas viscosas.

En los números de Reynolds contrarios, altos indicar que las fuerzas de inercia son más significativas que las fuerzas viscosas (de la fricción). Por lo tanto, podemos asumir el flujo para ser un flujo no viscoso, una aproximación en la cual descuidemos la viscosidad en absoluto, comparada a los términos de inercia.

Esta idea puede trabajar bastante bien cuando el número de Reynolds es alto. Sin embargo, ciertos problemas tales como ésos que implican límites sólidos, pueden requerir que la viscosidad sea incluida. La viscosidad no se puede descuidar a menudo cerca de límites sólidos porque el Ninguno-desliza la condición puede generar una región fina de tarifa de tensión grande (conocida como capa de límite ) que realza el efecto incluso de una pequeña cantidad de la viscosidad, y así de generar la vorticidad . Por lo tanto, para calcular las fuerzas netas en cuerpos (tales como alas) debemos utilizar ecuaciones de flujo viscoso. Según lo ilustrado por la paradoja de D'Alembert, un cuerpo en un líquido no viscoso no experimentará ninguna fuerza de fricción. Las ecuaciones estándar del flujo no viscoso son las ecuaciones de Euler. Otro modelo de uso frecuente, especialmente en dinámica flúida de cómputo, es utilizar las ecuaciones de Euler lejos del cuerpo y las ecuaciones de la capa de límite, que incorpora viscosidad, en una región cerca del cuerpo.

Las ecuaciones de Euler pueden ser integradas a lo largo de una línea aerodinámica conseguir la ecuación de Bernoulli. Cuando el flujo está por todas partes el y no viscoso irrotacionales, la ecuación de Bernoulli se puede utilizar a través del campo de flujo. Tales flujos se llaman los flujos potenciales .

Estabilizarse contra flujo inestable

Cuando todo el tiempo los derivados de un campo de flujo desaparecen, el flujo se considera ser constante. Si no, se llama inestable. Si un flujo particular es constante o inestable, puede depender del capítulo elegido de la referencia . Por ejemplo, el flujo laminar sobre una esfera es constante en el marco de la referencia que es inmóvil con respecto a la esfera. En un marco de la referencia que es inmóvil que las ecuaciones de gobierno del mismo problema sin el aprovechamiento de la regularidad del campo de flujo.

Aunque terminantemente los flujos inestables, los problemas tiempo-periódicos se puedan solucionar a menudo por las mismas técnicas que flujos constantes. Por esta razón, pueden ser considerados para estar en alguna parte entre constante e inestable. En la ausencia de turbulencia, el flujo flúido se puede describir por líneas aerodinámicas. Una línea aerodinámica es una curva en el líquido que fluye a lo largo de el cual la velocidad del líquido es constante en espacio. Si, además, las partículas que componen el flujo flúido a lo largo de las líneas aerodinámicas, el flujo se llaman constantes. (Véase el " del landó y de Lifshitz; Líquido Mechanics.") El flujo constante es aplicable a una clase grande de problemas, tales como elevación y fricción en un ala o atraviesa una pipa. Navier-Alimenta ecuaciones y las ecuaciones de Euler llegan a ser más simples cuando la aproximación del flujo constante es válida. Los problemas donde está constante el flujo y para cuál tienen todas las líneas aerodinámicas la misma velocidad sobre una sección representativa del flujo, flujo potencial, son lo más fácilmente posible los manejables.

Las características del flujo mencionadas anteriormente, el potencial, constante, e inestable, no son dependientes coordinado y así que no se pueden transformar lejos por transformaciones coordinadas globales. Por ejemplo el flujo de Poisieulle, el flujo de un líquido viscoso en un tubo, no es potencial porque las líneas aerodinámicas tienen diversas velocidades y en la pared del tubo la velocidad desaparece realmente. Puede ser asumido constantemente en algunos casos pero no hay sistema coordinado en el cual es flujo potencial. Semejantemente, el flujo en la vecindad de una superficie no es constante porque las moléculas en el flujo que encuentran la superficie sí mismo, es decir en la capa de límite, son retardadas por colisiones con la superficie y con las moléculas en la capa de límite.

Si un problema es incompresible, irrotacional, no viscoso, y constante, puede ser solucionado usar la ecuación de Laplace. Los problemas en esta clase tienen soluciones elegantes que sean combinaciones lineares de flujos elementales bienes estudiado. -->

Laminar contra flujo turbulento

La turbulencia es flujo dominado por la recirculación, el arremolina, y la aleatoriedad evidente fluye en qué turbulencia no se exhibe se llama el laminar. Debe ser observado, sin embargo, que la presencia de remolinos o de recirculación no indica necesario flujo turbulento--estos fenómenos pueden estar presentes en flujo laminar también. Matemáticamente, el flujo turbulento se representa a menudo vía la descomposición de Reynolds, en la cual el flujo se analiza en la suma de un componente constante y de un componente de la perturbación.

Se cree que los flujos turbulentos obedecen el Navier-Alimentan las ecuaciones . La simulación numérica directa (DNS), basada en el incompresible Navier-Alimenta ecuaciones, permite simular flujos turbulentos con números de Reynolds moderados (las restricciones dependen de la energía de la computadora y de la eficacia del algoritmo de solución). Los resultados del DNS convienen con los datos experimentales.

La mayoría de los flujos de interés tienen números de Reynolds demasiado arriba para que el DNS sea una opción viable (véase: Papa), dado el estado de la energía de cómputo para las décadas próximas. Cualquie vehículo del vuelo bastante grande llevar a un ser humano (L > 3 m), moviendo más rápidamente de 72 kilómetros por hora (20 m/s) está bien más allá del límite de simulación del DNS (con referencia a = 4 millones). Las alas de aviones del transporte (tales como encendido un Airbus A300 o Boeing 747 ) tienen números de Reynolds de 40 millones (basado en el acorde de ala). Para solucionar estos problemas del flujo de la vida real, los modelos de la turbulencia serán una necesidad para el futuro próximo. El Reynolds-Hecho un promedio Navier-Alimenta las ecuaciones que (RANS) combinado con la turbulencia que modela proporciona un modelo de los efectos del flujo turbulento, principalmente la transferencia de ímpetu adicional proporcionada por las tensiones de Reynolds, aunque la turbulencia también realce el calor y la transferencia total. Los asimientos grandes de la simulación (LES) del remolino también prometen como metodología de la simulación, especialmente so pretexto de la simulación separada (DES) del remolino, que es una combinación de turbulencia que modela y la simulación grande del remolino.

Neutoniano contra los líquidos no neutonianos

El Isaac Newton del sir demostró cómo la tensión y el índice de la tensión están muy cercanos a relacionado linear para muchos líquidos familiares, tales como agua y aire . Estos líquidos neutonianos son modelados por un coeficiente llamado la viscosidad, que depende del líquido específico.

Sin embargo, algunos de los otros materiales, tales como emulsiones y mezclas y algunos materiales viscoelásticos (eg. La sangre, algunos polímeros, tiene complicado comportamientos no neutonianos de la tensión-deformación del . Estos materiales incluyen los líquidos pegajosos del tal como látex, miel, y lubricantes que se estudien en la subdisciplina de la reología .

Otras aproximaciones

Hay una gran cantidad de otras aproximaciones posibles a los problemas dinámicos flúidos. Algo de usado más comunmente es mencionado abajo.
La aproximación de Boussinesq del descuida variaciones en densidad excepto para calcular fuerzas de la flotabilidad . Es de uso frecuente en problemas libres de la convección donde están pequeños los cambios de la densidad.
la teoría de la lubricación del explota el cociente de aspecto grande del dominio para demostrar que ciertos términos en las ecuaciones son pequeños y así que puede ser descuidada.
el Delgado-cuerpo del que la teoría es una metodología usada en alimenta problemas del flujo para estimar la fuerza encendido, o el campo de flujo alrededor, un objeto delgado largo en un líquido viscoso.
Las ecuaciones de la aguas poco profundas del se pueden utilizar para describir una capa de líquido relativamente no viscoso con una superficie libre, en la cual los gradientes superficiales son pequeños.
la ley de Darcy del es uso para el flujo en los medios porosos, y trabaja con las variables hechas un promedio sobre varias poro-anchuras.
En sistemas giratorios, la aproximación cuasi-geostrófica del asume un equilibrio casi perfecto entre los gradientes de presión y la fuerza de Coriolis . Es útil en el estudio de la dinámica atmosférica .

Terminología en la dinámica flúida

El concepto de la presión es central al estudio de la estática flúida y de la dinámica flúida. Una presión se puede identificar para cada punto en un cuerpo del líquido, sin importar si el líquido está en el movimiento o no. La presión puede ser medido usar un tubo aneroide, de bordón, una columna del mercurio, u otros métodos.

Algo de la terminología que es necesaria en el estudio de la dinámica flúida no se encuentra en otros campos de estudio similares. Particularmente, algo de la terminología usada en la dinámica flúida no se utiliza en la estática flúida .

Terminología en dinámica flúida incompresible

Los conceptos de la presión total y de la presión dinámica se presentan de la ecuación de Bernoulli y son significativos en el estudio de todos los flujos flúidos. (Estas dos presiones no son presiones en el sentido generalmente - no pueden ser medidas usar un tubo o una columna aneroide, de bordón del mercurio.) Para evitar ambigüedad potencial al referir a la presión en las dinámicas flúidas, muchos autores utilizan la presión estática del término para distinguirla de la presión total y de la presión dinámica. La presión estática es idéntica a la presión y se puede identificar para cada punto en un campo de flujo flúido.

En aerodinámica del, L.Clancy escribe (página 21): " Para distinguirlo de las presiones totales y dinámicas, la presión real del líquido, que se asocia no a su movimiento sino a su estado, se refiere a menudo como la presión estática, pero donde se utiliza la presión del término solamente él refiere a este pressure." estático;

Un punto en un flujo flúido adonde el flujo ha venido reclinarse (es decir velocidad es igual a cero adyacente a un cierto cuerpo sólido sumergido en el flujo flúido) está de significación especial. Es de tal importancia que está dado un nombre especial - un punto de estancamiento . La presión en el punto de estancamiento está también de significación especial y se da su propio nombre - presión de estancamiento .

Terminología en dinámica flúida compresible

En un líquido compresible, tal como aire, la temperatura y la densidad son esenciales al determinar el estado del líquido. Además del concepto de presión total, los conceptos de temperatura total y la densidad total son también esenciales en cualquier estudio de flujos flúidos compresibles. Para evitar ambigüedad potencial al referir a temperatura y a densidad, muchos autores utilizan la temperatura estática de los términos y la densidad estática. La temperatura estática es idéntica a la temperatura; y la densidad estática es idéntica a la densidad; y ambos se pueden identificar para cada punto en un campo de flujo flúido.

La temperatura y la densidad en un punto de estancamiento se llaman temperatura del estancamiento y densidad del estancamiento.

Los lectores pudieron preguntarse si hay conceptos tales como temperatura dinámica o densidad dinámica. ¡No hay!

Un acercamiento similar también se toma con las características termodinámicas de líquidos compresibles. Muchos autores utilizan la entalpia total de los términos y la entropía total . La entalpia estática de los términos y la entropía estática aparecen ser menos comunes, pero donde están utilizado ellos no significan nada más que la entalpia y la entropía respectivamente, y el prefijo “parásitos atmosféricos” se está utilizando para evitar ambigüedad con sus contrapartes “totales”.

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Snow White and the Seven Dwarfs (1937 film)

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