Dinâmica de fluidos

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Aspectos da mecânica dos fluidos envolvendo fluxo
Forma de lágrima aerodinâmica típica, assumindo um meio viscoso passando da esquerda para a direita, o diagrama mostra a distribuição de pressão como a espessura da linha preta e mostra a velocidade na camada de fronteira como os triângulos violeta. Os geradores de vórtice verdes incitam a transição para o fluxo turbulento e previnem o fluxo traseiro também chamado de separação de fluxo da região de alta pressão nas costas. A superfície na frente é tão suave quanto possível ou mesmo emprega pele semelhante a tubarão, como qualquer turbulência aqui aumenta a energia do fluxo de ar. A trégua à direita, conhecida como Kammback, também impede o retorno da região de alta pressão nas costas através dos spoilers para a parte convergente.

Em física, físico-química e engenharia, a dinâmica dos fluidos é uma subdisciplina da mecânica dos fluidos que descreve o fluxo de fluidos—líquidos e gases. Possui várias subdisciplinas, incluindo aerodinâmica (o estudo do ar e outros gases em movimento) e hidrodinâmica (o estudo dos líquidos em movimento). A dinâmica de fluidos tem uma ampla gama de aplicações, incluindo cálculo de forças e momentos em aeronaves, determinação da taxa de fluxo de massa de petróleo através de oleodutos, previsão de padrões climáticos, compreensão de nebulosas no espaço interestelar e modelagem de detonação de armas de fissão.

A dinâmica dos fluidos oferece uma estrutura sistemática - que fundamenta essas disciplinas práticas - que abrange leis empíricas e semi-empíricas derivadas da medição de fluxo e usadas para resolver problemas práticos. A solução para um problema de dinâmica de fluidos normalmente envolve o cálculo de várias propriedades do fluido, como velocidade de fluxo, pressão, densidade e temperatura, como funções do espaço e do tempo.

Antes do século XX, hidrodinâmica era sinônimo de dinâmica de fluidos. Isso ainda se reflete em nomes de alguns tópicos de dinâmica de fluidos, como magnetohidrodinâmica e estabilidade hidrodinâmica, ambos os quais também podem ser aplicados a gases.

Equações

Os axiomas fundamentais da dinâmica dos fluidos são as leis de conservação, especificamente, conservação da massa, conservação do momento linear e conservação da energia (também conhecida como Primeira Lei da Termodinâmica). Estes são baseados na mecânica clássica e são modificados na mecânica quântica e na relatividade geral. Eles são expressos usando o teorema de transporte de Reynolds.

Além do que foi dito acima, supõe-se que os fluidos obedeçam à suposição do contínuo. Os fluidos são compostos de moléculas que colidem umas com as outras e objetos sólidos. No entanto, a suposição de contínuo assume que os fluidos são contínuos, em vez de discretos. Consequentemente, assume-se que propriedades como densidade, pressão, temperatura e velocidade do fluxo são bem definidas em pontos infinitesimalmente pequenos no espaço e variam continuamente de um ponto para outro. O fato de que o fluido é composto de moléculas discretas é ignorado.

Para fluidos que são suficientemente densos para ser um contínuo, não contêm espécies ionizadas e têm velocidades de fluxo pequenas em relação à velocidade da luz, as equações de momento para fluidos newtonianos são as equações de Navier-Stokes, que é um conjunto não linear de equações diferenciais que descreve o fluxo de um fluido cuja tensão depende linearmente dos gradientes de velocidade e pressão do fluxo. As equações não simplificadas não têm uma solução geral de forma fechada, portanto, são usadas principalmente em dinâmica de fluidos computacional. As equações podem ser simplificadas de várias maneiras, o que as torna mais fáceis de resolver. Algumas das simplificações permitem que alguns problemas simples de dinâmica dos fluidos sejam resolvidos de forma fechada.

Além das equações de conservação de massa, momento e energia, uma equação de estado termodinâmica que fornece a pressão em função de outras variáveis termodinâmicas é necessária para descrever completamente o problema. Um exemplo disso seria a equação de estado do gás perfeito:

p= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =? ? RuTMNão. R_{u}T}{M}}}

onde p é a pressão, ρ é a densidade e T é a temperatura absoluta, enquanto Ru é a constante dos gases e M é a massa molar de um determinado gás. Uma relação constitutiva também pode ser útil.

Leis de conservação

Três leis de conservação são usadas para resolver problemas de dinâmica de fluidos e podem ser escritas na forma integral ou diferencial. As leis de conservação podem ser aplicadas a uma região do fluxo chamada de volume de controle. Um volume de controle é um volume discreto no espaço através do qual o fluido é assumido para fluir. As formulações integrais das leis de conservação são usadas para descrever a mudança de massa, momento ou energia dentro do volume de controle. As formulações diferenciais das leis de conservação aplicam-se a Stokes' teorema para produzir uma expressão que pode ser interpretada como a forma integral da lei aplicada a um volume infinitesimalmente pequeno (em um ponto) dentro do fluxo.

Continência em massa (conservação de massa)
A taxa de mudança de massa de fluido dentro de um volume de controle deve ser igual à taxa líquida de fluxo de fluido no volume. Fisicamente, esta afirmação exige que a massa não seja criada nem destruída no volume de controle, e pode ser traduzida na forma integral da equação de continuidade:
∂ ∂ ∂ ∂ )∫ ∫ ∫ ∫ V? ? DV= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =- Sim. - Sim. {displaystyle } ? iii) _{V}rho ,d V=-,{}} oiintS{displaystyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle { S. ? ? u)) DS{displaystyle {},rho mathbf {u} cdot dmathbf Não.
Acima, ? é a densidade do fluido, u é o vetor de velocidade de fluxo, e ) é tempo. O lado esquerdo da expressão acima é a taxa de aumento da massa dentro do volume e contém uma tripla integral sobre o volume de controle, enquanto o lado direito contém uma integração sobre a superfície do volume de controle da massa convetada no sistema. O fluxo de massa no sistema é contabilizado como positivo, e uma vez que o vetor normal para a superfície é oposto ao sentido de fluxo no sistema o termo é negado. A forma diferencial da equação de continuidade é, pelo teorema de divergência:
∂ ∂ ? ? ∂ ∂ )+? ? )) (? ? u)= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =0{displaystyle {frac {partial rho }{partial t}}+nabla cdot (rho mathbf {u})=0}
Conservação do impulso
A segunda lei de movimento de Newton aplicada a um volume de controle, é uma afirmação de que qualquer mudança no impulso do fluido dentro desse volume de controle será devido ao fluxo líquido de impulso no volume e à ação de forças externas que atuam no fluido dentro do volume.
∂ ∂ ∂ ∂ )∫ ∫ ∫ ∫ V? ? uDV= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =- Sim. - Sim. {displaystyle } }{partial t}}iiint _{scriptstyle V}rho mathbf {u} ,dV=-,{}} oiintSO que se passa? S. (? ? u)) DS)u- Sim. - Sim. {displaystyle rho mathbf {u} cdot dmathbf {S})mathbf {u} - Sim. oiintS{displaystyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {displaystyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle {scriptstyle { S. pDSNão. {},p,dmathbf {S} } +∫ ∫ ∫ ∫ V? ? fcorpoDV+Fsurf{displaystyle displaystyle {}+iiint _{scriptstyle V}rho mathbf {f} _{text{body}},dV+mathbf {F} _{text{surf}}}

Na formulação integral acima desta equação, o termo à esquerda é a mudança líquida de impulso dentro do volume. O primeiro termo à direita é a taxa líquida em que o impulso é convetado no volume. O segundo termo à direita é a força devido à pressão sobre as superfícies do volume. Os dois primeiros termos à direita são negados desde que o impulso que entra no sistema é contabilizado como positivo, e o normal é oposto à direção da velocidade u e forças de pressão. O terceiro termo à direita é a aceleração líquida da massa dentro do volume devido a quaisquer forças do corpo (aqui representado por fcorpo). As forças de superfície, como as forças viscosas, são representadas por Fsurf, a força líquida devido às forças de cisalhamento que atuam na superfície de volume. O equilíbrio momentum também pode ser escrito para um em movimento volume de controle.

O seguinte é a forma diferencial da equação de conservação do ímpeto. Aqui, o volume é reduzido a um ponto infinitasimamente pequeno, e ambas as forças de superfície e corpo são contabilizadas em uma força total, F. Por exemplo, F pode ser expandido em uma expressão para as forças atritorais e gravitacionais que atuam em um ponto em um fluxo.

DuD)= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =F- Sim. - Sim. ? ? p? ? (Dmathbf {u} }{Dt}}=mathbf {F} -{frac {nabla p}{rho }}}
Na aerodinâmica, presume-se que o ar seja um fluido newtoniano, o que representa uma relação linear entre o estresse do cisalhamento (devido às forças de atrito internas) e a taxa de tensão do fluido. A equação acima é uma equação vetorial em um fluxo tridimensional, mas pode ser expressa como três equações escalares em três direções de coordenadas. A conservação de equações momentum para o caso de fluxo viscoso compressível é chamada de equações de Navier-Stokes.
Conservação da energia
Embora a energia possa ser convertida de uma forma para outra, a energia total em um sistema fechado permanece constante.
? ? DhD)= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =DpD)+? ? )) (k? ? T)+Φ Φ {displaystyle rho } {displaystyle rho {displaystyle rho } {frac {Dh}{Dt}}={frac {Dp}{Dt}}+nabla cdot left(knabla Tright)+Phi }
Acima, h é a enthalpy específica, k é a condutividade térmica do fluido, T é a temperatura, e Φ é a função de dissipação viscosa. A função de dissipação viscosa governa a taxa em que a energia mecânica do fluxo é convertida ao calor. A segunda lei da termodinâmica requer que o termo de dissipação seja sempre positivo: a viscosidade não pode criar energia dentro do volume de controle. A expressão no lado esquerdo é um derivado material.

Classificações

Fluxo compressível versus incompressível

Todos os fluidos são compressíveis até certo ponto; isto é, mudanças na pressão ou na temperatura causam mudanças na densidade. No entanto, em muitas situações, as mudanças na pressão e na temperatura são suficientemente pequenas para que as mudanças na densidade sejam desprezíveis. Neste caso, o fluxo pode ser modelado como um fluxo incompressível. Caso contrário, as equações de fluxo compressíveis mais gerais devem ser usadas.

Matematicamente, a incompressibilidade é expressa dizendo que a densidade ρ de uma parcela de fluido não muda conforme ela se move no fluxo campo, ou seja,

D? ? D)= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =0,- Não. {D} rho }{mathrm {D} t}}=0,}

onde D/ Dt é a derivada material, que é a soma das derivadas locais e convectivas. Essa restrição adicional simplifica as equações governantes, especialmente no caso em que o fluido tem uma densidade uniforme.

Para fluxo de gases, para determinar se deve usar dinâmica de fluidos compressível ou incompressível, o número de Mach do fluxo é avaliado. Como um guia aproximado, os efeitos compressíveis podem ser ignorados em números de Mach abaixo de aproximadamente 0,3. Para líquidos, se a suposição de incompressibilidade é válida depende das propriedades do fluido (especificamente a pressão e temperatura críticas do fluido) e das condições de fluxo (quão perto da pressão crítica a pressão de fluxo real se torna). Os problemas acústicos sempre requerem permitir a compressibilidade, uma vez que as ondas sonoras são ondas de compressão que envolvem mudanças na pressão e na densidade do meio pelo qual se propagam.

Fluidos newtonianos versus não newtonianos

Fluxo em torno de um airfoil

Todos os fluidos, exceto os superfluidos, são viscosos, o que significa que eles exercem alguma resistência à deformação: parcelas vizinhas de fluido movendo-se a diferentes velocidades exercem forças viscosas umas sobre as outras. O gradiente de velocidade é chamado de taxa de deformação; tem dimensões T−1. Isaac Newton mostrou que, para muitos fluidos familiares, como água e ar, a tensão devido a essas forças viscosas é linearmente relacionada à taxa de deformação. Esses fluidos são chamados de fluidos newtonianos. O coeficiente de proporcionalidade é chamado de viscosidade do fluido; para fluidos newtonianos, é uma propriedade do fluido independente da taxa de deformação.

Os fluidos não newtonianos têm um comportamento de tensão-deformação não linear mais complicado. A subdisciplina da reologia descreve os comportamentos de tensão-deformação de tais fluidos, que incluem emulsões e pastas, alguns materiais viscoelásticos como sangue e alguns polímeros e líquidos pegajosos como látex, mel e lubrificantes.

Invíscido vs viscoso versus fluxo de Stokes

A dinâmica das parcelas fluidas é descrita com a ajuda da segunda lei de Newton. Uma parcela de fluido em aceleração está sujeita a efeitos inerciais.

O número de Reynolds é uma quantidade adimensional que caracteriza a magnitude dos efeitos inerciais em comparação com a magnitude dos efeitos viscosos. Um número de Reynolds baixo (Re ≪ 1) indica que as forças viscosas são muito fortes em comparação com as forças inerciais. Nesses casos, as forças de inércia às vezes são negligenciadas; este regime de fluxo é chamado de Stokes ou fluxo rastejante.

Em contraste, altos números de Reynolds (Re ≫ 1) indicam que os efeitos inerciais têm mais efeito no campo de velocidade do que o viscoso (atrito) efeitos. Em fluxos de alto número de Reynolds, o fluxo é frequentemente modelado como um fluxo invíscido, uma aproximação na qual a viscosidade é completamente desprezada. A eliminação da viscosidade permite que as equações de Navier-Stokes sejam simplificadas nas equações de Euler. A integração das equações de Euler ao longo de uma linha de corrente em um fluxo invíscido produz a equação de Bernoulli. Quando, além de invíscido, o fluxo é irrotacional em todos os lugares, a equação de Bernoulli pode descrever completamente o fluxo em todos os lugares. Esses fluxos são chamados de fluxos potenciais, porque o campo de velocidade pode ser expresso como o gradiente de uma expressão de energia potencial.

Essa ideia pode funcionar razoavelmente bem quando o número de Reynolds é alto. No entanto, problemas como os que envolvem contornos sólidos podem exigir que a viscosidade seja incluída. A viscosidade não pode ser negligenciada perto de contornos sólidos porque a condição de não escorregamento gera uma região fina de grande taxa de deformação, a camada limite, na qual os efeitos da viscosidade dominam e que, portanto, gera vorticidade. Portanto, para calcular as forças líquidas nos corpos (como asas), as equações de fluxo viscoso devem ser usadas: a teoria do fluxo invíscido falha em prever as forças de arrasto, uma limitação conhecida como paradoxo de d'Alembert.

Um modelo comumente usado, especialmente em dinâmica de fluidos computacional, é usar dois modelos de fluxo: as equações de Euler longe do corpo e as equações da camada limite em uma região próxima ao corpo. As duas soluções podem então ser combinadas entre si, usando o método de expansões assintóticas combinadas.

Fluxo constante versus fluxo instável

Simulação hidrodinâmica da instabilidade Rayleigh–Taylor

Um fluxo que não é uma função do tempo é chamado de fluxo constante. O fluxo em estado estacionário refere-se à condição em que as propriedades do fluido em um ponto do sistema não mudam com o tempo. O fluxo dependente do tempo é conhecido como instável (também chamado de transiente). Se um determinado fluxo é estável ou instável, pode depender do quadro de referência escolhido. Por exemplo, o fluxo laminar sobre uma esfera é estável no referencial estacionário em relação à esfera. Em um quadro de referência estacionário em relação a um fluxo de fundo, o fluxo é instável.

Os fluxos turbulentos são instáveis por definição. Um fluxo turbulento pode, no entanto, ser estatisticamente estacionário. O campo de velocidade aleatória U(x, t) é estatisticamente estacionário se todas as estatísticas forem invariante sob uma mudança no tempo. Isso significa aproximadamente que todas as propriedades estatísticas são constantes no tempo. Frequentemente, o campo médio é o objeto de interesse, e isso também é constante em um fluxo estatisticamente estacionário.

Os fluxos estacionários geralmente são mais tratáveis do que os fluxos instáveis semelhantes. As equações governantes de um problema estável têm uma dimensão a menos (tempo) do que as equações governantes do mesmo problema, sem aproveitar a estabilidade do campo de fluxo.

Fluxo laminar versus turbulento

A transição do laminar para o fluxo turbulento

A turbulência é um fluxo caracterizado por recirculação, redemoinhos e aleatoriedade aparente. O fluxo no qual a turbulência não é exibida é chamado de laminar. A presença de redemoinhos ou recirculação por si só não indica necessariamente fluxo turbulento - esses fenômenos também podem estar presentes no fluxo laminar. Matematicamente, o fluxo turbulento é frequentemente representado por meio de uma decomposição de Reynolds, na qual o fluxo é dividido na soma de um componente médio e um componente de perturbação.

Acredita-se que os fluxos turbulentos podem ser bem descritos através do uso das equações de Navier-Stokes. A simulação numérica direta (DNS), baseada nas equações de Navier-Stokes, permite simular escoamentos turbulentos em números de Reynolds moderados. As restrições dependem da potência do computador usado e da eficiência do algoritmo de solução. Verificou-se que os resultados do DNS concordam bem com os dados experimentais para alguns fluxos.

A maioria dos fluxos de interesse tem números de Reynolds muito altos para que o DNS seja uma opção viável, dado o estado do poder computacional nas próximas décadas. Qualquer veículo aéreo grande o suficiente para transportar um ser humano (L > 3 m), movendo-se a mais de 20 m/s (72 km /h; 45 mph) está bem além do limite da simulação de DNS (Re = 4 milhões). As asas de aeronaves de transporte (como em um Airbus A300 ou Boeing 747) têm números de Reynolds de 40 milhões (com base na dimensão da corda da asa). Resolver esses problemas de fluxo da vida real requer modelos de turbulência para o futuro previsível. As equações médias de Reynolds de Navier-Stokes (RANS) combinadas com modelagem de turbulência fornecem um modelo dos efeitos do fluxo turbulento. Tal modelagem fornece principalmente a transferência de momento adicional pelas tensões de Reynolds, embora a turbulência também aumente a transferência de calor e massa. Outra metodologia promissora é a simulação de grandes turbulências (LES), especialmente sob a forma de simulação de turbulência destacada (DES) – que é uma combinação de modelagem de turbulência RANS e simulação de grandes turbulências.

Outras aproximações

Há um grande número de outras aproximações possíveis para problemas de dinâmica de fluidos. Alguns dos mais comumente usados estão listados abaixo.

  • O aproximação de Boussinesq negligencia variações na densidade, exceto para calcular forças de flutuabilidade. É frequentemente usado em problemas de convecção livre onde as alterações de densidade são pequenas.
  • Teoria da lubrificação e Fluxo de Hele-Shaw explora a grande proporção de aspecto do domínio para mostrar que certos termos nas equações são pequenos e assim pode ser negligenciado.
  • Teoria do corpo esbelto é uma metodologia usada em problemas de fluxo de Stokes para estimar a força em, ou campo de fluxo ao redor, um objeto esbelto longo em um fluido viscoso.
  • O equações de águas rasas pode ser usado para descrever uma camada de fluido relativamente invisível com uma superfície livre, em que os gradientes de superfície são pequenos.
  • A lei de Darcy é usado para fluxo em mídia porosa, e trabalha com variáveis médias em várias larguras de poro.
  • Em sistemas rotativos, o equações quasi-geostrophic assumir um equilíbrio quase perfeito entre os gradientes de pressão e a força Coriolis. É útil no estudo da dinâmica atmosférica.

Tipos multidisciplinares

Fluxos de acordo com regimes de Mach

Enquanto muitos fluxos (como o fluxo de água através de um tubo) ocorrem em baixos números de Mach (fluxos subsônicos), muitos fluxos de interesse prático em aerodinâmica ou em turbomáquinas ocorrem em altas frações de M = 1 (fluxos transônicos) ou acima dele (fluxos supersônicos ou mesmo hipersônicos). Novos fenômenos ocorrem nesses regimes, como instabilidades em fluxos transônicos, ondas de choque para fluxos supersônicos ou comportamento químico de não equilíbrio devido à ionização em fluxos hipersônicos. Na prática, cada um desses regimes de fluxo é tratado separadamente.

Fluxos reativos versus não reativos

Os fluxos reativos são fluxos quimicamente reativos, que encontram suas aplicações em muitas áreas, incluindo combustão (motor IC), dispositivos de propulsão (foguetes, motores a jato e assim por diante), detonações, riscos de incêndio e segurança e astrofísica. Além da conservação de massa, momento e energia, a conservação de espécies individuais (por exemplo, fração de massa de metano na combustão de metano) precisa ser derivada, onde a taxa de produção/depleção de qualquer espécie é obtida resolvendo simultaneamente as equações de química cinética.

Magnetohidrodinâmica

A magnetohidrodinâmica é o estudo multidisciplinar do fluxo de fluidos eletricamente condutores em campos eletromagnéticos. Exemplos de tais fluidos incluem plasmas, metais líquidos e água salgada. As equações de fluxo de fluido são resolvidas simultaneamente com as equações de eletromagnetismo de Maxwell.

Dinâmica de fluidos relativística

A dinâmica relativística dos fluidos estuda o movimento macroscópico e microscópico dos fluidos em grandes velocidades comparáveis à velocidade da luz. Este ramo da dinâmica dos fluidos explica os efeitos relativísticos tanto da teoria especial da relatividade quanto da teoria geral da relatividade. As equações governantes são derivadas da geometria Riemanniana para o espaço-tempo de Minkowski.

Hidrodinâmica flutuante

Este ramo da dinâmica dos fluidos aumenta as equações hidrodinâmicas padrão com fluxos estocásticos que modelam flutuações térmicas. Conforme formulado por Landau e Lifshitz, uma contribuição de ruído branco obtida a partir do teorema da flutuação-dissipação da mecânica estatística é adicionado ao tensor de tensão viscosa e ao fluxo de calor.

Terminologia

O conceito de pressão é fundamental para o estudo da estática e da dinâmica dos fluidos. Uma pressão pode ser identificada para cada ponto em um corpo de fluido, independentemente de o fluido estar em movimento ou não. A pressão pode ser medida usando um aneróide, tubo de Bourdon, coluna de mercúrio ou vários outros métodos.

Algumas das terminologias necessárias no estudo da dinâmica dos fluidos não são encontradas em outras áreas de estudo semelhantes. Em particular, parte da terminologia usada na dinâmica dos fluidos não é usada na estática dos fluidos.

Terminologia em dinâmica de fluidos incompressíveis

Os conceitos de pressão total e pressão dinâmica surgem da equação de Bernoulli e são importantes no estudo de todos os fluxos de fluidos. (Essas duas pressões não são pressões no sentido usual – elas não podem ser medidas usando um aneróide, tubo de Bourdon ou coluna de mercúrio.) pressão total e pressão dinâmica. A pressão estática é idêntica à pressão e pode ser identificada para cada ponto em um campo de fluxo de fluido.

Um ponto em um fluxo de fluido onde o fluxo parou (ou seja, a velocidade é igual a zero adjacente a algum corpo sólido imerso no fluxo de fluido) é de significado especial. É de tal importância que recebe um nome especial - um ponto de estagnação. A pressão estática no ponto de estagnação tem um significado especial e recebe seu próprio nome - pressão de estagnação. Em fluxos incompressíveis, a pressão de estagnação em um ponto de estagnação é igual à pressão total em todo o campo de fluxo.

Terminologia em dinâmica de fluidos compressíveis

Em um fluido compressível, é conveniente definir as condições totais (também chamadas de condições de estagnação) para todas as propriedades do estado termodinâmico (como temperatura total, entalpia total, velocidade total do som). Essas condições de fluxo total são uma função da velocidade do fluido e têm valores diferentes em quadros de referência com movimento diferente.

Para evitar possíveis ambigüidades ao se referir às propriedades do fluido associadas ao estado do fluido em vez de seu movimento, o prefixo "estático" é comumente usado (como temperatura estática e entalpia estática). Onde não há prefixo, a propriedade do fluido é a condição estática (portanto, "densidade" e "densidade estática" significam a mesma coisa). As condições estáticas são independentes do referencial.

Como as condições de fluxo total são definidas isentropicamente levando o fluido ao repouso, não há necessidade de distinguir entre entropia total e entropia estática, pois elas são sempre iguais por definição. Como tal, a entropia é mais comumente chamada simplesmente de "entropia".

Sobre

Campos de estudo

  • Teoria acústica
  • Aerodinâmica
  • Aeroelasticidade
  • Aeronáutica
  • Dinâmica do fluido computacional
  • Medição de vazão
  • Dinâmica de fluido geofísico
  • Hemodinâmica
  • Hidráulica
  • Hidrologia
  • Hidrostática
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Equações e conceitos matemáticos

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Tipos de fluxo de fluido

  • Força aerodinâmica
  • Convecção
  • Cavitação
  • Fluxo compressivo
  • Fluxo de Couette
  • Limite de eficiência
  • Fluxo molecular livre
  • Fluxo incompressivo
  • Fluxo invisível
  • Fluxo isotérmico
  • Fluxo de canal aberto
  • Fluxo de tubulação
  • Fluxo de pressão
  • Fluxo secundário
  • Transmissão de impulso
  • Superfluência
  • Fluxo transitório
  • Fluxo de duas fases

Propriedades do fluido

  • Lista de instabilidades hidrodinâmicas
  • Fluido de Newton
  • Fluido não-Newtoniano
  • Tensão de superfície
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Fenômenos de fluidos

  • Fluxo equilibrado
  • Camada de bunda
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Aplicativos

  • Acústica
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Diários de dinâmica de fluidos

  • Revisão Anual de Mecânica Fluida
  • Journal of Fluid Mechanics
  • Física de fluidos
  • Fluidos de Revisão Física
  • Experiências em fluidos
  • Jornal Europeu das Mecânicas B: Fluidos
  • Dinâmica dos fluidos teóricos e computacionais
  • Computadores e fluidos
  • Jornal Internacional para Métodos Numéricos em Fluidos
  • Fluxo, Turbulência e Combustão

Diversos

  • Publicações importantes em dinâmica de fluidos
  • Isosurface
  • Número de Keulegan-Carpenter
  • Tanque rotativo
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  • Método de fronteira imerso
  • Ponte scour
  • Método de volume finito para fluxo instável
  • Visualização de fluxo

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