Virtausdynamiikka
Nestedynamiikka kertoo, miten nesteet (nesteet ja kaasut) toimivat. Se on yksi fysiikan tutkimuksen vanhimmista osa-alueista, ja sitä tutkivat fyysikot, matemaatikot ja insinöörit. Matematiikalla voidaan kuvata nesteiden liikkumista matemaattisten kaavojen eli yhtälöiden avulla. Kaasujen nestedynamiikkaa kutsutaan aerodynamiikaksi.
Nesteiden käyttäytymisen ymmärtäminen auttaa meitä ymmärtämään esimerkiksi lentämistä tai merivirtoja. Nestedynamiikkaa voidaan käyttää esimerkiksi sään ymmärtämiseen, koska pilvet ja ilma ovat molemmat nesteitä. Nestedynamiikan avulla voidaan myös ymmärtää, miten lentokoneet lentävät ilmassa tai miten laivat ja sukellusveneet liikkuvat vedessä.
Tietokoneohjelmat voivat mallintaa ja ennustaa liikkuvien nesteiden toimintaa nestedynamiikan matemaattisten yhtälöiden avulla. Tietokoneet ovat auttaneet meitä ymmärtämään nestedynamiikkaa hyvin paljon, ja jotkut opiskelevat, miten nesteitä voidaan mallintaa tai simuloida vain tietokoneella. Sen tutkimista, miten nestedynamiikkaa voidaan tehdä tietokoneiden avulla, kutsutaan laskennalliseksi nestedynamiikaksi (computational fluid dynamics, lyhyesti CFD).
Tärkeitä yhtälöitä nestedynamiikassa
Nestevirtausta säätelevät matemaattiset yhtälöt ovat yksinkertaisia ajatella, mutta hyvin vaikeita ratkaista. Useimmissa tosielämän tapauksissa ei ole mahdollista saada ratkaisua, joka voitaisiin kirjoittaa ylös, vaan vastaus on laskettava tietokoneen avulla. On olemassa kolme perusyhtälöä, jotka perustuvat kolmeen sääntöön.
Massan säilyminen: massaa ei synny eikä tuhoudu, se vain siirtyy paikasta toiseen. Tästä saadaan massan säilymisen yhtälö. Joskus tämä ei välttämättä päde, kuten virtauksessa, johon liittyy kemiallinen reaktio.
Energian säilyminen: tämä on termodynamiikan ensimmäinen laki, energiaa ei koskaan synny eikä tuhoa, se vain muuttaa muotoaan (esim. liike-energia muuttuu potentiaalienergiaksi) tai liikkuu.
Impulssin säilyminen: Tämä on Newtonin toinen laki, jonka mukaan voima = impulssin muutosnopeus. Momentti on massa kertaa nopeus. Momenttiyhtälöt ovat yhtälöitä, jotka vaikeuttavat nestedynamiikan ongelmien ratkaisemista. On olemassa useita eri versioita, jotka sisältävät useita eri vaikutuksia. Navier-Stokesin yhtälöt ovat momenttiyhtälöitä, ja Eulerin yhtälöt ovat Navier-Stokesin yhtälöitä, mutta viskositeettia ei ole otettu mukaan. 1D-ongelmassa on yksi momenttiyhtälö ja 3D-ongelmassa kolme yhtälöä, yksi kussakin avaruuden suunnassa.
Yhtälöiden ratkaisemiseksi tarvitaan usein lisätietoja tilanyhtälön muodossa. Siinä termodynaamiset ominaisuudet (yleensä paine ja lämpötila) suhteutetaan toisiinsa tietyntyyppisen nesteen osalta. Esimerkkinä voidaan mainita "ideaalikaasun" olotilayhtälö, jossa paine, lämpötila ja tiheys ovat yhteydessä toisiinsa ja joka toimii hyvin kaasuille, jotka ovat normaalipaineessa (kuten ilma ilmakehän paineessa).
- Poiseuillen yhtälö
- Bernoullin lause
- Navier-Stokesin yhtälöt
Aiheeseen liittyvät sivut
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mistä Fluid Dynamics puhuu?
V: Fluididynamiikassa puhutaan siitä, miten nesteet (nesteet ja kaasut) toimivat.
K: Kuka tutkii fluiddynamiikkaa?
V: Fluiddynamiikkaa tutkivat fyysikot, matemaatikot ja insinöörit.
K: Miten matematiikka voi kuvata, miten nesteet liikkuvat?
V: Matematiikka voi kuvata nesteiden liikkumista matemaattisten kaavojen eli yhtälöiden avulla.
K: Mitä kutsutaan kaasujen nestedynamiikaksi?
V: Kaasujen nestedynamiikkaa kutsutaan aerodynamiikaksi.
K: Miksi on tärkeää ymmärtää, miten nesteet käyttäytyvät?
V: Nesteiden käyttäytymisen ymmärtäminen auttaa meitä ymmärtämään esimerkiksi lentämistä tai merivirtoja.
K: Miten tietokoneohjelmat voivat käyttää nestedynamiikan matemaattisia yhtälöitä?
V: Tietokoneohjelmat voivat käyttää nestedynamiikan matemaattisia yhtälöitä mallintamaan ja ennustamaan liikkuvien nesteiden toimintaa.
K: Mikä on nimitys sille, että tutkitaan, miten nestedynamiikkaa voidaan tehdä tietokoneiden avulla?
V: Sen tutkimista, miten nestedynamiikkaa voidaan tehdä tietokoneilla, kutsutaan laskennalliseksi nestedynamiikaksi (computational fluid dynamics, lyhyesti CFD).
