Eddy (dynamika tekutin) - Eddy (fluid dynamics)

A vířivá ulice kolem válce. K tomu může dojít u válců a koulí pro jakoukoli kapalinu, velikost válce a rychlost kapaliny, za předpokladu, že tok má Reynoldsovo číslo v rozsahu ~ 40 až ~ 1000.[1]

v dynamika tekutin, an vír je víření a tekutina a naopak proud vytvořeno, když je kapalina v režimu turbulentního proudění.[2] Pohybující se tekutina vytváří prostor postranně tekoucí tekutiny na straně po proudu objektu. Tekutina za překážkou proudí do prázdnoty a vytváří vír kapaliny na každém okraji překážky, následovaný krátkým zpětným tokem kapaliny za překážkou tekoucí proti proudu, směrem k zadní části překážky. Tento jev je přirozeně pozorován za velkými vynořujícími se horninami v rychle tekoucích řekách.

Víření a víry ve strojírenství

Sklon tekutiny k vířit se se používá k podpoře dobrého míchání paliva a vzduchu ve spalovacích motorech.

v mechanika tekutin a dopravní jevy, vír není vlastnost tekutiny, ale prudký vířící pohyb způsobený polohou a směrem turbulentního proudění.[3]

Schéma ukazující distribuci rychlosti kapaliny pohybující se kruhovým potrubím pro laminární proudění (vlevo), turbulentní proudění, časově zprůměrované (uprostřed) a turbulentní proudění, okamžité zobrazení (vpravo)

Reynoldsovo číslo a turbulence

Reynoldsův experiment (1883). Osborne Reynolds stojící vedle svého aparátu.

V roce 1883 vědec Osborne Reynolds provedl experiment s dynamikou tekutin zahrnující vodu a barvivo, kde upravil rychlosti tekutin a pozoroval přechod od laminárního k turbulentnímu proudění, charakterizovanému tvorbou vírů a vírů.[4] Turbulentní tok je definován jako tok, ve kterém jsou setrvačné síly systému dominantní nad viskózními silami. Tento jev popisuje Reynoldsovo číslo, číslo bez jednotky použité k určení, kdy dojde k turbulentnímu proudění. Koncepčně je Reynoldsovo číslo poměrem setrvačných sil a viskózních sil.[5]

Schlierenova fotografie ukazující oblak tepelné konvekce stoupající z obyčejné svíčky na nehybném vzduchu. Chochol je zpočátku laminární, ale přechod k turbulenci nastává v horní 1/3 obrazu. Obrázek byl vytvořen pomocí schlierenského zrcadla o průměru jednoho metru od Gary Settles.

Obecná forma pro Reynoldsovo číslo protékající trubicí o poloměru r (nebo průměru d):

kde proti je rychlost tekutiny, ρ je jeho hustota, r je poloměr trubice a μ je viskozita tekutiny. turbulentní proudění v kapalině je definováno kritickým Reynoldsovým číslem, pro uzavřenou trubku to funguje přibližně

Z hlediska kritického Reynoldsova čísla je kritická rychlost reprezentována jako

Výzkum a vývoj

Výpočetní dynamika tekutin

Jedná se o modely turbulence, ve kterých Reynoldsovy napětí, získané z Reynoldsova průměru z Navier-Stokesovy rovnice, jsou modelovány lineárním konstitutivním vztahem se středním polem napjatého toku, jako:

kde

  • je koeficient nazývaný turbulence „viskozita“ (nazývaná také vířivá viskozita)
  • je střední turbulentní kinetická energie
  • je znamenat rychlost deformace
Všimněte si, že toto zahrnutí v lineárním konstitutivním vztahu je vyžadováno účely tenzorové algebry při řešení pro modely dvou rovnic turbulence (nebo jakýkoli jiný model turbulence, který řeší transportní rovnici pro .[6]

Hemodynamika

Hemodynamika je studium průtoku krve v oběhovém systému. Tok krve v přímých částech arteriálního stromu je typicky laminární (vysoké, namáhané namáhání stěn), ale větve a zakřivení v systému způsobují turbulentní proudění.[2] Turbulentní proudění v arteriálním stromu může způsobit řadu souvisejících účinků, včetně aterosklerotických lézí, postchirurgické neointimální hyperplazie, restenózy v stentu, selhání bypassu žíly, vaskulopatie transplantátu a kalcifikace aortální chlopně.

Porovnání proudění vzduchu kolem hladkého golfového míčku oproti důlkovému golfovému míčku.

Průmyslové procesy

Vlastnosti zvedání a tažení golfových míčků jsou přizpůsobeny manipulací jamek podél povrchu míče, což umožňuje golfovému míčku cestovat ve vzduchu dále a rychleji.[7][8] Data z jevů turbulentního proudění byla použita k modelování různých přechodů v režimech proudění tekutin, které se používají k důkladnému promíchání tekutin a zvýšení reakčních rychlostí v průmyslových procesech.[9]

Tekuté proudy a kontrola znečištění

Oceánské a atmosférické proudy přenášejí částice, trosky a organismy po celé planetě. Zatímco transport organismů, jako je např fytoplankton, jsou zásadní pro zachování ekosystémů, ropa a další znečišťující látky jsou také smíchány v současném toku a mohou přenášet znečištění daleko od svého původu.[10][11] Vířivé formace cirkulují odpadky a další znečišťující látky do koncentrovaných oblastí, které vědci sledují, aby zlepšili čištění a prevenci znečištění. Distribuci a pohyb plastů způsobené vířivými formacemi v přírodních vodních útvarech lze předpovědět pomocí Lagrangeových transportních modelů.[12] Oceánské víry Mesoscale hrají klíčovou roli při přenosu tepla směrem k pólu a při udržování teplotních gradientů v různých hloubkách.[13]

Toky prostředí

Modelování vířivého vývoje, protože souvisí s turbulencemi a jevy přenosu osudu, je zásadní pro pochopení pochopení environmentálních systémů. Pochopením transportu pevných i rozpuštěných pevných látek v environmentálních tocích budou vědci a inženýři schopni efektivně formulovat nápravné strategie pro případy znečištění. Vířivé formace hrají zásadní roli v osudu a transportu rozpuštěných látek a částic v environmentálních tocích, jako jsou řeky, jezera, oceány a atmosféra. Upwelling ve stratifikovaných pobřežních ústí řek zaručuje vznik dynamických vírů, které distribuují živiny zpod hraniční vrstvy a vytvářejí oblaky.[14] Mělké vody, jako jsou vody podél pobřeží, hrají složitou roli při transportu živin a znečišťujících látek díky blízkosti horní hranice poháněné větrem a dolní hranice blízko dna vodního útvaru.[15]

Oceánské víry Mesoscale

Po větru po překážkách, v tomto případě Madeira a Kanárské ostrovy u západoafrického pobřeží vytvářejí víry bouřlivé vzory zvané vírové ulice.

Víry jsou v oceánu běžné a jejich průměr se pohybuje od centimetrů do stovek kilometrů. Nejmenší víry měřítka mohou trvat několik sekund, zatímco větší funkce mohou přetrvávat měsíce až roky.

Víry, které mají průměr přibližně 10 až 500 km (6,2 až 310,7 mil) a přetrvávají po několik dní až měsíců, jsou v oceánografii známé jako víry v mezoscale.[16]

Víry Mesoscale lze rozdělit do dvou kategorií: statické víry způsobené prouděním kolem překážky (viz animace) a přechodné víry způsobené baroklinickou nestabilitou.

Když oceán obsahuje gradient výšky hladiny moře, vytvoří se proud nebo proud, jako je například antarktický cirkumpolární proud. Tento proud jako součást baroklinicky nestabilního systému se klikatí a vytváří víry (podobně jako meandrující řeka tvoří jezero na přídi). Tyto typy vířivých mezoskalů byly pozorovány mimo jiné v mnoha hlavních oceánských proudech, včetně Golfského proudu, Agulhasova proudu, Kuroshiova proudu a Antarktického cirkumpolárního proudu.

Oceánské víry Mesoscale jsou charakterizovány proudy, které proudí zhruba kruhovým pohybem kolem středu víru. Smysl rotace těchto proudů může být buď cyklonový, nebo anticyklonální (např Haida Eddies ). Oceánské víry jsou také obvykle vyrobeny z vodních hmot, které se liší od těch mimo vír. To znamená, že voda uvnitř víru má obvykle jiné teplotní a slané vlastnosti než voda mimo vír. Mezi vlastnostmi vodní hmoty víru a jeho rotací existuje přímá souvislost. Teplé víry rotují anticyklonálně, zatímco studené víry cyklicky.

Vzhledem k tomu, že víry mohou mít silný oběh, jsou znepokojeny námořními a obchodními operacemi na moři. Dále, protože víry přenášejí při pohybu neobvykle teplou nebo studenou vodu, mají důležitý vliv na přenos tepla v určitých částech oceánu.

Viz také

Reference

  1. ^ Tansley, Claire E .; Marshall, David P. (2001). „Proudění kolem válce na rovině s aplikací na oddělování proudu Golfského proudu a antarktický cirkumpolární proud“ (PDF). Journal of Physical Oceanography. 31 (11): 3274–3283. Bibcode:2001JPO .... 31.3274T. doi:10.1175 / 1520-0485 (2001) 031 <3274: FPACOA> 2.0.CO; 2. Archivovány od originál (PDF) dne 01.04.2011.
  2. ^ A b Chiu, Jeng-Jiann; Chien, Shu (01.01.2011). „Účinky narušení toku na vaskulární endotel: patofyziologické základy a klinické perspektivy“. Fyziologické recenze. 91 (1): 327–387. doi:10.1152 / physrev.00047.2009. ISSN  0031-9333. PMC  3844671. PMID  21248169.
  3. ^ Lightfoot, R. Byron Bird; Warren E. Stewart; Edwin N. (2002). Transportní jevy (2. vyd.). New York, NY [USA]: Wiley. ISBN  0-471-41077-2.
  4. ^ Kambe, Tsutomu (2007). Základní mechanika tekutin. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. str.240. ISBN  978-981-256-416-0.
  5. ^ "Tlak". hyperfyzika.phy-astr.gsu.edu. Citováno 2017-02-12.
  6. ^ „Modely lineární vířivé viskozity - CFD-Wiki, bezplatná reference CFD“. www.cfd-online.com. Citováno 2017-02-12.
  7. ^ Arnold, Douglas. „Let golfového míčku“ (PDF).
  8. ^ „Proč jsou golfové míčky dolíčky?“. math.ucr.edu. Citováno 2017-02-12.
  9. ^ Dimotakis, Paul. „Směšovací přechod v turbulentních tocích“ (PDF). Kalifornský institut technologických informačních technických služeb.
  10. ^ „Oceánské proudy tlačí fytoplankton a znečištění po celém světě rychleji, než si mysleli“. Věda denně. 16. dubna 2016. Citováno 2017-02-12.
  11. ^ „Znečištění oceánu“. Národní úřad pro oceán a atmosféru.
  12. ^ Denně, Juliette; Hoffman, Matthew J. (01.05.2020). „Modelování trojrozměrného přenosu a distribuce více typů mikroplastových polymerů v jezeře Erie“. Bulletin o znečištění moří. 154: 111024. doi:10.1016 / j.marpolbul.2020.111024. ISSN  0025-326X. PMID  32319887.
  13. ^ „Ocean Mesoscale Eddies - Geophysical Fluid Dynamics Laboratory“. www.gfdl.noaa.gov. Citováno 2017-02-12.
  14. ^ Chen, Zhaoyun; Jiang, Yuwu; Wang, Jia; Gong, Wenping (2019-07-23). "Vliv říčního oblaku na dynamiku pobřežních upwelling: význam stratifikace". Journal of Physical Oceanography. 49 (9): 2345–2363. doi:10.1175 / JPO-D-18-0215.1. ISSN  0022-3670.
  15. ^ Roman, F .; Stipcich, G .; Armenio, V .; Inghilesi, R .; Corsini, S. (01.06.2010). „Velká vířivá simulace míchání v pobřežních oblastech“. International Journal of Heat and Fluid Flow. Šesté mezinárodní symposium o turbulencích a smykových proudech. 31 (3): 327–341. doi:10.1016 / j.ijheatfluidflow.2010.02.006. ISSN  0142-727X.
  16. ^ Tansley, Claire E .; Marshall, David P. (2001). "Tok kolem válce na rovině β, s aplikací na oddělování proudu Golfského proudu a antarktický cirkumpolární proud". Journal of Physical Oceanography. 31 (11): 3274–3283. Bibcode:2001JPO .... 31.3274T. doi:10.1175 / 1520-0485 (2001) 031 <3274: FPACOA> 2.0.CO; 2. ISSN  1520-0485. S2CID  130455873.