什么是不同类型的流体流动-完整的解释

流体简介

流体是一种在剪切应力作用下倾向于不断变形的物质。它由液体和气体组成。地球上所有的物质都可以根据它们的性质分为两类,即固体和流体。在一定条件下趋向流动的物质叫做流体。了解不同类型的流体以及流体和固体之间的差异对于更好地理解和可视化流体流动类型变得至关重要。在本文中,我们将简要讨论流体的类型以及固体和流体之间的区别,然后讨论流体流动的类型。

液体类型

流体是根据它们在剪切应力下的行为来分类的。行为分析的帮助下,数量称为粘度和流体密度。粘度就像存在于固体颗粒中的摩擦力,它抵抗固体的运动。它阻止流体流动,并在随后的流体层之间引起相对运动。

为了分类并更好地理解分类,考虑以下公式:

注:上式为流体沿一个方向(x方向)流动,其他方向均为零。

我们可以将流体分为6种不同的类型,具体讨论如下:

液体类型

1.理想流体:

在这种流体中,粘度被认为是零,密度处处不变。它的意思是在流体流动中,流体的各层之间没有相对运动,所有层都以相同的速度运动。理想流体是一种假设,它们在现实中并不存在。这些假设是为了分析某些流体在给定条件下的行为。

简而言之,我们可以说,

2.真正的液体:

在这种类型的流体中,粘度不是零,密度在流体中到处都是变化的。它的意思是在流体流动中,流体层与层之间存在相对运动。真实流体是流体在现实中所具有的行为,但为了使分析更简单,经常被忽略。在真实流体中,我们没有任何固定的密度变化公式和流体粘度的固定值。所有的流体都是真正的流体。

简而言之,我们可以说,

3.牛顿流体:

在真实的流体中,我们没有精确的公式来计算密度,我们也不知道流体的粘度。牛顿流体是指粘度为指定值的流体,指数(n)为1。所有牛顿流体的方程可以写成:

牛顿流体可以有恒密度和变密度,但密度的变化

对于时间和空间,我们是知道的。

简而言之,我们可以说,

4.非牛顿流体:

在这种类型的流体中,粘度不是零,并被准确地定义。密度可以随时间和空间变化或保持不变。主要的区别在于指数“n”的值,它不等于1,取决于非牛顿流体的类型。所有非牛顿流体的方程可以写成:

5.可压缩流体:

如果流体的密度随时间和空间而变化,就称其为可压缩流体。我们不能说粘度在这种情况下,因为它可以是零或非零。

简而言之,我们可以说,

6.不可压缩流体:

如果流体的密度不随时间和空间的变化而变化,就说流体是不可压缩的。我们不能说粘度在这种情况下,因为它可以是零或非零。

简而言之,我们可以说,

下面的分类根据粘度和密度列出了不同流体的性质:

S.no。 流体类型 粘度 密度
1 理想流体 常数
2 真正的液体 非零 变量
3. 牛顿流体 非零,有明确的公式 可以是常数或变量
4 非牛顿流体 非零和公式取决于非牛顿流体的类型 可以是常数或变量
5 可压缩流体 0 /非零 变量
6 不可压缩流体 0 /非零 常数

固体与流体:它们之间的区别

固体和流体的行为不同,它们不以同样的方式遵循物理学的规则。由于它们在性质上的不同,我们有固体力学和流体力学。当我们仔细观察它们在不同条件下的行为时,我们可以注意到它们之间的许多差异。为了更直接地将它们的行为分组,我们使用称为剪切应力的属性。它定义了流体的流动性质及其与固体的不同之处。固体在剪应力的作用下容易弯曲变形。因此,它们的剪切应力随弯曲或变形呈线性变化。流体在剪应力作用下具有连续变形的倾向,剪应力的变化与变形不是线性关系。这就是固体和流体的主要区别。

固体和流体的剪切应力行为

图:剪应力特性

流体流动的驱动力

流体的流动特性导致各种现象,如旋风,天气变化,内燃机冷却,以及更多的事情。问题来了,流体流动的原因是什么?我们能预测每种情况下的流体流动行为吗?流体从一点流到另一点是因为两点之间的压力差。流体从高压到低压的自然流动,以平衡这两点的压差。从低压区流向高压区可以通过外部驱动力实现,如泵等。流体流动模式可以分类,但不能在某一时刻准确预测。流体流动行为的所有预测都是使用软件进行的,这些软件使用数值技术来近似给定时刻的流动行为。

流体流动方向

图片来源

为了开始我们对流体流动的研究,让我们首先了解流体流动中的不同参数。这些参数是时间线、路径线、流线和流线。

时间轴:

如果我们标记相邻的流体粒子在给定时刻的流动,它就形成了一个时间轴。例如,为了演示流体在恒定剪应力作用下的颗粒行为,引入时间轴来给出流体在各时刻的变形。因此,在时间轴中,每一个流体粒子都在给定的时间瞬间被跟踪。

时间轴视图:

Pathline:

如果我们追踪一个流体粒子的路径一段时间,它就形成了路径线。例如,拍摄染料和烟雾,并拍摄其后续运动的长曝光照片。粒子所追踪的路径是路径线。在这里,我们考虑一个流体的源粒子,并观察它在给定时间内的路径。粒子在这段时间内所追踪的路径就是粒子的路径线。

图:Pathline

纹线:

如果我们在给定位置标记流体粒子路径一段时间,它就会形成流线。在汽车风洞气动试验中,通过向汽车方向释放烟雾进行气动力和阻力评估。汽车上方的烟雾所追踪的路径是流线。在这里,我们考虑后续层的流动,观察它们在给定时刻的位置,并跟踪位置形成Streakline。

流体流动中的流线 无花果:纹线

简化:

它是为流体粒子绘制的路径,因此与它相切的是流体粒子在该点的速度方向。因为它们是流动的切线,所以在流线上不可能有流动。它们用于流动可视化的计算机模拟,其中绘制流线来表示流体粒子跟踪的速度场。

流体流动中的流线

图:简化

流体流动的类型

流体流动可分为以下几种类型:

  1. 均匀流动和非均匀流动
  2. 定常和非定常流动
  3. 旋转和非旋转流动
  4. 可压缩流和不可压缩流
  5. 粘性和非粘性流动
  6. 外部和内部流动
  7. 层流和湍流
  8. 1D, 2D和3D流

让我们来逐一研究一下:

1.均匀流动和非均匀流动

如果流体的速度不随空间变化,则流体流动称为均匀的。因此,在这种类型的流体流动中,速度只依赖于时间,而不依赖于流体粒子的X, Y, Z坐标。

如果流体的速度随空间变化,则流体流动称为非均匀流动。因此,在这种类型的流动中,速度是时间和流体粒子的X, Y, Z坐标的函数。例如,如图所示,当横截面面积不变时,流动的速度是恒定的,但随着横截面面积的变化,流体进入截面的速度也随之变化。流动在本质上变得不均匀。

流体流过具有均匀截面的管道称为均匀流动,如果流体流过没有均匀(或锥形)截面的管道称为非均匀流动

2.定常和非定常流动

如果流体的性质如速度和压力不随时间变化,则流体流动称为稳态。因此,在此流中,流体属性仅依赖于流体粒子的X、Y、Z坐标。对于这种类型的流,流线、流线和路径线是相同的。

如果流体的速度和压力等特性随时间变化,则流体流动是非定常的。因此,在这种流动中,流体的性质取决于时间和流体粒子的X, Y, Z坐标。对于这种类型的流,流线、流线和路径线并不相同。

在给定的图中,第一个表达式表示稳态流动,第二个表达式表示非稳态流动。通过管道的恒定流量为定常流量,通过管道的可变流量为非定常流量。

3.旋转和非旋转流动

如果流体颗粒在流线中移动时绕其轴旋转,则称为旋转流。
如果流体颗粒沿流线运动而不绕其轴旋转,则称为无旋转流动。
我们可以通过计算流动的涡度来识别这种类型的流动,涡度取决于流动的速度。如果涡度为零,流体流动为无旋;否则就是旋转流动。

4.可压缩流和不可压缩流

在可压缩流动中,流体的密度随时间和空间的变化而变化。而在不可压缩流动中,流体的密度保持不变。这种流动在制动液中得到了应用。在制动系统中,制动液将脚产生的压力传递到车轮上进行制动。如果流体是不可压缩的,它会将脚施加的精确压力传递到车轮上,以实现有效的制动。如果流体是可压缩的,则传递给车轮的压力将小于施加的压力。甚至可能是零。因此,制动液在本质上应该是不可压缩的。

可压缩流体和不可压缩流体流动

借助马赫数,我们可以快速地识别这些类型的流体流动。它的定义为:

马= V / Vs

  • Vs=流体中声速
  • V=流体速度
0 < = < 0.33 不可压缩流体
马> 0.33 可压缩流

5.粘性和非粘性流动:

在粘性流动中,流体颗粒在随后的层之间经历粘性,因此,流体颗粒层之间发生相对运动。在非粘性流动中,流体颗粒在后续层之间没有任何粘性,因此,流体颗粒之间没有相对运动。

6.外部和内部流动:

内部流体流动

内部流体流动

壁面的存在决定了这种类型的流动模式。完全被固体包围的流动称为内部流动或管道流动。

外部流动:汽车周围的流体流动

如果任何固体不与流动结合,则称为外部流动。例如,汽车上的气流被称为外部气流,它是通过软件和风洞测试来可视化的。圆形管道内的流动是内部流动,可以很容易地借助软件和简单的实验室实验进行可视化。

7.层流和湍流

在层流中,流体颗粒在不同的层移动,在宏观上不混合。在这种流体流动中,我们可以预测特定时刻的流动模式。所有后续层在流中彼此平行。

在湍流中,流体颗粒相互混合,流动变得随机。在这种类型的流中,流的模式不能在给定的时刻准确地预测。涡流的形成导致大量的能量损失。

雷诺数用于预测流动,即是否为湍流和层流。公式为:

= V * L /µ

在哪里

  • Re =雷诺数
  • V=流体速度
  • L=流动发生的物体特征长度
  • μ =粘度系数

对于内部流动,

0 < = < = 2000 层流
2000年< < = 4000 从层流到湍流的过渡
4000年<再保险 湍流

对于外部流动,

0 < = < = 100000 层流
100000年< < = 500000 从层流到湍流的过渡
500000年<再保险 湍流

8.1-D、2-D和3-D流体流动:

在1-D类型的流体流动中,流体参数(如速度)只是时间和一个空间坐标的函数。

在二维流体流动类型中,流体参数(如速度)是时间和两个空间坐标的函数。

在三维流体流动中,流体参数(如速度)是时间和所有三个空间坐标的函数。

一维流体流动 U = f(x,t) v=0 w=0
二维流体流动 U = f(x,y,t) v=g(x,y,t) w=0
三维流体流动 U = f(x,y,z,t) v=g(x,y,z,t) w=h(x,y,z,t)

常见问题

问题1 .。可压缩流体和可压缩流的区别是什么?

回答- - - - - -可压缩流体讨论的是流体及其密度变化,而可压缩流只讨论运动中的流体及其密度变化。流体在静态条件下密度恒定,在动态条件下密度可变。马赫数决定了流动是否可压缩。它不能决定流体的特性。

问题2 .。在过渡状态中考虑哪种类型的流体流动?

回答- - - - - -这取决于情况和你的电脑状况。如果你有一个接近湍流的值在过渡区,并有一个优秀的计算机模拟,选择湍流。如果没有,那就选择Laminar。

问题3 .。通过汽车的气流是外部气流还是内部气流

回答- - - - - -如果我们分析汽车的气动阻力,它是外部气流。有一些空气进入了车里。由于它以固体为界,因此可以认为是内部流动。

问题4 .。制动液应用中适用的法律名称是什么?

回答- - - - - -这项法律的名称是帕斯卡法。它指出,对于不可压缩流体,压力在各个方向上的传递是相等的。

问题5 .。为什么在定常流和非定常流中没有提到时间轴?

回答- - - - - -稳态流动没有时间轴的概念,因为流体参数不依赖于时间。

Q.6。泵是什么?

回答- - - - - -泵是一种用于流体运动的外部介质,与流体的自然流动方向相反。例如,在蒸汽发电厂中,泵用于将水从冷凝器抽到锅炉的高度。

Q.7。什么是剪应力?

回答- - - - - -剪应力是由施加在物体上的切线上的力产生的应力,力施加在物体上。

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