Khác biệt giữa bản sửa đổi của “Động lực học chất lưu”
Nội dung được xóa Nội dung được thêm vào
Không có tóm lược sửa đổi |
Không có tóm lược sửa đổi |
||
Dòng 1:
<p role="presentation">{{Continuum mechanics|fluid}}</p>[[Tập_tin:Teardrop_shape.svg|nhỏ|300x300px|Typical [[aerodynamic]] teardrop shape, assuming a [[viscous]] medium passing from left to right, the diagram shows the pressure distribution as the thickness of the black line and shows the velocity in the [[boundary layer]] as the violet triangles. The green [[Vortex generator|vortex generators]] prompt the transition to [[Turbulent_flow]] and prevent back-flow also called [[Flow_separation]] from the high pressure region in the back. The surface in front is as smooth as possible or even employs [[Dermal denticle|shark-like skin]], as any turbulence here reduce the energy of the airflow. The truncation on the right, known as a [[Kammback]], also prevents backflow from the high pressure region in the back across the [[Spoiler (aeronautics)|spoilers]] to the convergent part.]]Trong [[vật lý học]], động lực học chất lưu là một nhánh của cơ học chất lưu, giải quyết các vấn đề của dòng chảy chất lưu – [[khoa học tự nhiên]] về chuyển động chất lưu (chất lỏng và các chất khí). [[Động lực học chất lưu]] cũng có vài nhánh nhỏ bao gồm: Khí động lực học (nghiên cứu chuyển đông của không khí và các chất khí khác) và [[Thủy động lực học]] (nghiên cứu chuyển động của chất lỏng). Động lực học chất lưu có rất nhiều ứng dụng như tính toán lực và mô men trên khí cụ bay, xác định lưu lượng khối lượng của xăng dầu trong các đường ống, dự đoán các mô hình thời tiết, giải thích tinh vân giữa các vì sao và mô hình hóa các vụ nổ vũ khí phân hạch. Một số nguyên tắc của nó thậm chí còn được sử dụng trong kỹ thuật giao thông trong đó chuyển động giao thông được coi như là chuyển động của một chất lỏng liên tục.
Động lực học chất lưu cung cấp một cấu trúc có tính hệ thống – làm nền tảng cho các môn học thực hành nói trên - bao hàm các định luật thực nghiệm và bán thực nghiệm xuất phát từ việc đo lưu lượng và được sử dụng để giải quyết các vấn đề thực tế. Các giải pháp cho một vấn đề động lực học chất lưu thường liên quan đến việc tính toán các đặc tính khác nhau của chất lưu, chẳng hạn như vận tốc dòng chảy, áp suất, khối lượng riêng và nhiệt độ, như là các hàm của không gian và thời gian.
Dòng 42:
Đối với dòng chảy của các khí, để xác định được rằng nên sử dụng động lực học chất lưu nén được hay động lực học chất lưu không nén được, thì cần đánh giá dựa trên [[số Mach]] của dòng chảy. Tính nén được có thể được bỏ qua nếu số Mach thấp hơn 0,3. Đối với chất lỏng, giả định không nén được có hợp lý hay không phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng (đặc biệt là áp suất tới hạn và nhiệt độ của chất lỏng) và các điều kiện dòng chảy (áp suất của dòng chảy thực tế có gần với áp suất tới hạn hay không). Các bài toán về âm thanh luôn yêu cầu phải tính đến tính nén được, bởi vì các sóng âm là sóng nén được nếu có sự thay đổi về áp suất và mật độ trong môi trường mà chúng truyền qua.
===
[[Tập_tin:Potential_flow_around_a_wing.gif|nhỏ|Potential flow around a wing]]Tất cả các chất lưu đều có tính nhớt, có nghĩa là chúng có khả năng chống biến dạng: các khối chất lưu cạnh nhau di chuyển với các vận tốc khác nhau tác dụng lực nhớt vào nhau. Gradient vận tốc được xem như là tốc độ biến dạng; nó có đơn vị là '''''T<sup>-1</sup>'''''. Isaac Newton cho rằng đối với nhiều chất lưu quen thuộc như nước và không khí, ứng suất gây da bởi những lực nhớt này có quan hệ tuyến tính với tốc độ biến dạng. Các chất lưu như vậy được gọi là chất lưu Newton. Hệ số tỉ lệ được gọi là độ nhớt của chất lưu; đối với chất lưu Newton, độ nhớt là một thuộc tính không phụ thuộc vào tốc độ biến dạng.
Dòng 49:
Động lực của các khối chất lưu được mô tả dựa trên định luật thứ hai của Newton. Một khối chất lưu đang gia tốc sẽ chịu tác động của các hiệu ứng quán tính.
Số Reynolds là một đại lượng không thứ nguyên đặc trưng cho độ lớn của lực quán tính so với độ lớn của lực nhớt. Số Reynolds thấp (Re << 1) biểu thị rằng lực nhớt là rất lớn so với lực quán tính. Trong trường hợp này, lực quán tính đôi khi bị bỏ qua; chế độ dòng chảy như vậy được gọi là dòng chảy Stokes hoặc chảy từ từ (creeping).
Ngược lại, số Reynolds cao (Re >> 1) thì tức là lực quán tính có ảnh hưởng lớn hơn trên trường vận tốc so với lực nhớt (ma sát). Các dòng chảy có số Reynolds cao, thường được mô hình hóa như một dòng chảy không nhớt, đây là một ước lượng gần đúng, bởi vì độ nhớt là hoàn toàn bị lãng quên. Các phương trình Navier - Stokes do đó được đơn giản hóa thành các phương trình Euler. Tích phân các phương trình này dọc một đường dòng trong một dòng chảy không nhớt sẽ có được phương trình Bernoulli. Ngoài việc không nhớt, nếu dòng chảy còn là dòng chảy không xoáy ở khắp mọi nơi, thì phương trình Bernoulli có thể được sử dụng xuyên suốt trường dòng chảy. Những dòng chảy như vậy được gọi là các dòng chảy tiềm năng (potential flows), bởi vì trường vận tốc có thể được biểu thị như là gradient của một giá trị tiềm năng nào đó (potential).
This idea can work fairly well when the Reynolds number is high. However, problems such as those involving solid boundaries may require that the viscosity be included. Viscosity cannot be neglected near solid boundaries because the [[no-slip condition]] generates a thin region of large strain rate, the [[boundary layer]], in which [[viscosity]] effects dominate and which thus generates [[vorticity]]. Therefore, to calculate net forces on bodies (such as wings), viscous flow equations must be used: inviscid flow theory fails to predict [[Drag (physics)|drag forces]], a limitation known as the [[D'Alembert's_paradox]].<p>Ý tưởng này phù hợp nếu số Reynolds là rất lớn. Tuy nhiên, trong nhiều bài toán chẳng hạn như các bài toán liên quan đến các biên cứng thì độ nhớt cần phải được kể đến. Gần các biên cứng, độ nhớt là không thể bị bỏ qua, bởi vì điều kiện không trượt (no-slip condition) tạo ra một lớp mỏng có tốc độ biến dạng lớn, gọi là lớp biên, trong lớp biên này lực nhớt thống trị và do đó tạo ra xoáy (vorticity). Vì vậy, để tính toán lực ròng tác dụng lên các vật thể (ví dụ như là cánh máy bay), các phương trình dòng chảy nhớt phải được sử dụng: lý thuyết dòng chảy không nhớt không dự đoán được lực kéo (nghịch lý d' Alembert).</p><p>Một phuơng pháp thường được sử dụng{{citation needed|date=June 2015}} , đặc biệt là trong động lực học chất lưu điện toán (CFD), là sử dụng hai mô hình dòng chảy: các phương trình Euler cho vùng dòng chảy xa vật thể, và các phương trình lớp biên cho vùng dòng chảy gần vật thể. Hai lời giải này sau đó được kết hợp với nhau, bằng cách sử dụng Phương pháp mở rộng tiệm cận phù hợp ([[Method_of_matched_asymptotic_expansions]]).</p>
===
[[Tập_tin:HD-Rayleigh-Taylor.gif|nhỏ|320x320px|Hydrodynamics simulation of the [[Rayleigh–Taylor_instability]] <ref>Shengtai Li, Hui Li "Parallel AMR Code for Compressible MHD or HD Equations" (Los Alamos National Laboratory) [http://math.lanl.gov/Research/Highlights/amrmhd.shtml]</ref>]]Khi tất cả các đạo hàm thời gian của một trường dòng chảy biến mất, dòng chảy được gọi là dòng chảy ổn định (steady). Dòng chảy ở trạng thái ổn định
Các dòng chảy rối là
Trường ngẫu nhiên U (x, t) là ổn định về mặt thống kê nếu tất cả thổng kê không thay đổi khi thời gian thay đổi. }}Điều này đại khái rằng tất cả các thuộc tính thống kê
Các dòng chảy ổn định thường dễ xử lý hơn các dòng chảy không ổn định tương
Dòng chảy rối là dòng chảy được đặc trưng bởi sự tuần hoàn khép kín, các xoáy nước, và sự ngẫu nhiên rõ ràng. Ngược lại,
▲===Steady vs unsteady flow '''Dòng chảy không biến đổi và dòng chảy biến đổi theo thời gian'''===<!-- [[Steady flow]] redirects here -->
▲Khi tất cả các đạo hàm thời gian của một trường dòng chảy biến mất, dòng chảy được gọi là dòng chảy ổn định (steady). Dòng chảy trạng thái ổn định đề cập đến tình trạng mà các thuộc tính của chất lưu tại một điểm trong hệ thống không thay đổi theo thời gian. Ngược lại, dòng chảy được gọi là không ổn định (còn được gọi là tức thời (transient) <sup>[5]</sup>) . Việc một dòng chảy cụ thể là ổn định hay không ổn định, có thể phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ quy chiếu. Ví dụ, dòng chảy tầng trên một mặt cầu là ổn định trong hệ quy chiếu tĩnh so với khối cầu. Trong một hệ quy chiếu tĩnh so với dòng chảy nền, dòng chảy là không ổn định.
▲Các dòng chảy rối là không ổn định theo định nghĩa. Một dòng chảy rối có thể, tuy nhiên, ổn định về mặt thống kê. Theo Pope: [ 6 ]
▲Điều này đại khái rằng tất cả các thuộc tính thống kê là không đổi theo thời gian. Thông thường giá trị trung bình là đối tượng được quan tâm, và nó cũng là hằng số trong một dòng chảy ổn định về mặt thống kê.
▲Các dòng chảy ổn định thường dễ xử lý hơn các dòng chảy không ổn định tương tự. Các phương trình chi phối của một bài toán ổn định có một đơn vị (thời gian) ít hơn hơn so với các phương trình điều chỉnh của cùng một vấn đề mà không tận dụng lợi thế của tính ổn định của các trường dòng chảy.
▲===Laminar vs turbulent flow '''Dòng chảy rối và dòng chảy tầng'''===
Most flows of interest have Reynolds numbers much too high for DNS to be a viable option,<ref>See Pope (2000), page 344.</ref> given the state of computational power for the next few decades. Any flight vehicle large enough to carry a human (L > 3 m), moving faster than 72 km/h (20 m/s) is well beyond the limit of DNS simulation (Re = 4 million). Transport aircraft wings (such as on an [[Airbus A300]] or [[Boeing 747]]) have Reynolds numbers of 40 million (based on the wing chord). Solving these real-life flow problems requires turbulence models for the foreseeable future. [[Reynolds-averaged Navier–Stokes equations]] (RANS) combined with [[turbulence modelling]] provides a model of the effects of the turbulent flow. Such a modelling mainly provides the additional momentum transfer by the [[Reynolds stresses]], although the turbulence also enhances the [[Heat transfer|heat]] and [[mass transfer]]. Another promising methodology is [[Large_eddy_simulation]] (LES), especially in the guise of [[Detached_eddy_simulation]] (DES)—which is a combination of RANS turbulence modelling and large eddy simulation.
Hầu hết các dòng chảy trong thực tế có số Reynolds quá cao
▲Dòng chảy rối là dòng chảy được đặc trưng bởi tuần hoàn khép kín, các xoáy nước, và sự ngẫu nhiên rõ ràng. Ngược lại, Dòng chảy trong đó sự rối không xuất hiện được gọi là dòng chảy tầng. Cần lưu ý, tuy nhiên, sự hiện diện của các xoáy nước hoặc tuần hoàn khép kín không nhất thiết biểu thị dòng chảy rối - các hiện tượng này cũng có thể xuất hiện trong dòng chảy tầng. Về mặt toán học, dòng chảy rối thường được biểu diễn thông sự phân tách Reynolds, trong đó dòng chảy được chia thành tổng của một thành phần trung bình và một thành phần dao động.
===
▲Người ta tin rằng các dòng chảy rối có thể được mô tả cũng thông qua việc sử dụng các phương trình Navier - Stokes. Mô phỏng số trực tiếp ( DNS) , dựa trên các phương trình Navier - Stokes, làm cho nó có thể để mô phỏng dòng chảy rối tại số Reynolds vừa phải. Các Hạn chế phụ thuộc vào sức mạnh của máy tính được sử dụng và hiệu quả của thuật toán giải pháp. Các kết quả DNS đã được chứng minh là khớp với dữ liệu thực nghiệm cho một số dòng chảy. [[Fluid dynamics#cite note-7|<sup>[7]</sup>]]
Trong khi nhiều dòng chảy trên mặt đất (ví dụ dòng chảy của nước
▲Hầu hết các dòng chảy có số Reynolds quá cao cho việc mô phỏng số trực tiếp DNS là một lựa chọn khả thi, [8] thậm trí là với sự tiến bộ của máy điện toán trong vài thập kỷ tới. Mọi phương tiện bay đủ lớn để mang theo một con người (L> 3 m), di chuyển nhanh hơn 72 km/h (20 m/s) là vượt quá xa giới hạn của mô phỏng DNS (Re = 4.000.000). Cánh máy bay vận tải (chẳng hạn như trên một máy bay Airbus A300 hoặc Boeing 747) có số Reynolds khoảng 40 triệu (dựa trên wing chord GÓC TẤN). Giải quyết các dòng chảy thực tế này đòi hỏi các mô hình dòng chảy rối trong tương lai gần. Các phương trình Navier-Stokes được trung bình bởi Reynolds (RANS) kết hợp với mô hình hóa dòng rối tạo ra một mô hình các tác động của dòng chảy rối. Một mô hình như vậy chủ yếu cung cấp sự truyền động lượng bổ sung thêm do các ứng suất Reynolds, mặc dù sự rối cũng làm tăng nhiệt và truyền khối lượng. Một phương pháp đầy hứa hẹn nữa đó là mô phỏng xoáy lớn (LES), đặc biệt là theo cách thức mô phỏng xoáy tách rời (DES) - một sự kết hợp của mô hình rối RANS và mô phỏng xoáy lớn.
▲===Subsonic vs transonic, supersonic and hypersonic flows '''Dòng chảy dưới âm tốc, cận âm tốc, vượt âm tốc, siêu âm tốc'''===
▲Trong khi nhiều dòng chảy trên mặt đất (ví dụ dòng chảy của nước qua một đường ống) diễn ra tại số Mach thấp, nhiều dòng chảy thực tế khác (ví dụ trong khí động học) diễn ra tại số Mach cao M = 1 hoặc lớn hơn (các dòng siêu âm). Việc này kéo theo các hiện tượng khác ( ví dụ như sóng xung kích cho dòng siêu âm, bất ổn định cận âm trong dòng chảy có M xấp xỉ 1, mất cân bằng hóa học do sự ion hóa trong các dòng siêu thanh ) và cần thiết để ứng phó với các chế độ dòng chảy này theo các các khác nhau.
▲===Magnetohydrodynamics '''Từ Thủy động lực học''' [ sửa]===
{{main|Magnetohydrodynamics}}
Từ thủy động lực học là ngành khoa học nghiên cứu dòng chảy của chất lưu dẫn điện trong trường điện từ. Ví dụ về các chất lưu như vậy bao gồm huyết tương, kim loại lỏng , và nước muối. Các phương trình dòng chảy chất lưu được giải đồng thời với các phương trình điện từ của Maxwell.
===Các ước lượng gần đúng===
Có một số lượng lớn các ước lượng gần đúng phục vụ cho việc tìm lời giải của các bài toàn động lực học chất lưu. Dưới đây là
*[[Ước lượng
*[[Lý thuyết trơn nhớt và dòng chảy Hele-Shaw]]:
▲Có một số lượng lớn các ước lượng gần đúng phục vụ cho việc tìm lời giải của các bài toàn động lực học chất lưu. Dưới đây là Một số ước lượng gần đúng thường được sử dụng.
*[[Lý thuyết vật thể mảnh]]: là một phương pháp được sử dụng trong các bài toán dòng chảy Stokes để ước lượng lực trên, hoặc trường dòng xung quanh, một vật thể thanh mảnh dài được đặt trong một chất lưu nhớt. ▼
*[[Các phương trình nước nông]]: có thể được sử dụng để mô tả một lớp chất lưu tương đối không nhớt có bề mặt tự do, và độ dốc bề mặt nhỏ. ▼
*[[Các phương trình Boussinesq]]: được áp dụng đối với sóng bề mặt trên các lớp chất lưu dày hơn với độ dốc bề mặt lớn hơn. ▼
*[[Định luật Darcy]]: được sử dụng cho dòng chảy trong môi trường xốp, và làm việc với các biến số trung bình của nhiều lỗ rỗng rộng. ▼
*Trong các hệ thống xoay,
▲*Ước lượng gần đúng Boussinesq bỏ qua sự thay đổi về mật độ, ngoại trừ khi tính toán lực đẩy nổi. Ước lượng này thường được sử dụng trong các bài toán đối lưu tự do có sự thay đổi mật độ nhỏ.
▲*Lý thuyết trơn nhớt và dòng chảy Hele-Shaw khai thác tỉ số phạm vi cạnh lớn để cho thấy rằng một số số hạng trong các phương trình là nhỏ và và do đó có thể được bỏ qua.
▲*Lý thuyết vật thể mảnh là một phương pháp được sử dụng trong các bài toán dòng chảy Stokes để ước lượng lực trên, hoặc trường dòng xung quanh, một vật thể thanh mảnh dài được đặt trong một chất lưu nhớt.
▲*Các phương trình nước nông có thể được sử dụng để mô tả một lớp chất lưu tương đối không nhớt có bề mặt tự do, và độ dốc bề mặt nhỏ.
▲*Các phương trình Boussinesq được áp dụng đối với sóng bề mặt trên các lớp chất lưu dày hơn với độ dốc bề mặt lớn hơn.
▲*Định luật Darcy được sử dụng cho dòng chảy trong môi trường xốp, và làm việc với các biến số trung bình của nhiều lỗ rỗng rộng.
▲*Trong các hệ thống xoay, các phương trình bán geostrophic giả định một sự cân bằng gần như hoàn hảo giữa gradient áp lực và lực Coriolis. Nó rất hữu ích trong việc nghiên cứu động lực học khí quyển.
==Terminology in fluid dynamics Thuật ngữ trong động lực học chất lưu==
The concept of [[Pressure]] is central to the study of both fluid statics and fluid dynamics. A pressure can be identified for every point in a body of fluid, regardless of whether the fluid is in motion or not. Pressure can be [[Pressure measurement|measured]] using an aneroid, Bourdon tube, mercury column, or various other methods.
| |||