什么是不同类型的流体流动?完整解释

介绍了液体

流体是一种在剪切应力下不断变形的物质。它由液体和气体组成。地球上所有的物质都可以根据其行为分为两类,即固体和流体。在特定条件下易于流动的物质称为流体。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。

流体类型

根据流体在剪切应力下的行为对其进行分类。行为是在数量的帮助下分析的粘度和流体密度。粘性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,并诱导随后的流体层之间的相对运动。

为了分类,更好地理解分类,考虑以下公式:

注:上式表示流体沿一个方向(x方向)流动,其他方向均为零。

我们可以将流体分为6种不同类型,具体讨论如下:

类型的液体

1.理想流体:

在这种类型的流体中,粘度被认为是零,密度处处是常数。这意味着在流体流动中的流体层之间没有相对运动,所有层以相同的速度移动。理想流体只是一种假设,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。

总之,可以说,,

2.真实流体:

在这种类型的流体中,粘度不是零,流体中的密度到处都不同。这意味着在流体流动中,流体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,常常被忽略。在实际流体中,密度的变化没有固定的公式,流体的粘度也没有固定的值。自然界中所有的流体都是真实的流体。

总之,可以说,,

3.牛顿流体:

在真实流体中,我们没有计算密度的精确公式,也不知道流体的粘度。牛顿流体是指粘度有确定值的流体,指数n的值是1。所有牛顿流体的方程可以写成:

牛顿流体可以有恒定的密度和变的密度,但密度是变化的

关于时间和空间,我们都知道。

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,而是精确定义的。密度可以随时间和空间变化或保持不变。主要区别在于指数“n”的值,该值不等于1,取决于非牛顿流体的类型。所有非牛顿流体的方程式可写成如下:

5.可压缩流体:

如果密度随时间和空间而变化,则称该流体为可压缩流体。在这种情况下,我们不能说粘度,因为它可以是零,也可以是非零。

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而变化,则称该流体为不可压缩的。在这种情况下,我们不能说粘度,因为它可以是零,也可以是非零。

简而言之,我们可以说,

以下分类根据不同流体的粘度和密度列出了不同流体的性质:

S.no。 类型的液体 粘度 密度
1. 理想流体 常数
2. 真实流体 非零 变量
3. 牛顿流体 非零且有确定的公式 可以是常量也可以是变量
4. 非牛顿流体 非零和公式取决于非牛顿流体的类型 可以是常量也可以是变量
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,它们不以相同的方式遵循物理规则。因为它们的性质不同,所以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。为了更直接地对它们的行为进行分组,我们使用了剪切应力的性质。它定义了流体的流动特性以及它的行为与固体的区别。固体在剪应力作用下趋于弯曲和变形。因此,它们的剪应力随弯曲或变形线性变化。在剪切应力作用下,流体具有连续变形的趋势,剪切应力的变化与变形不呈线性关系。这是固体和流体的主要区别。

固体和流体的剪切应力行为

图:剪切应力行为

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、内燃机冷却等。问题来了,流体流动的原因是什么?我们能预测流体在每个条件下的流动行为吗?由于两点之间的压力差,流体从一点流向另一点。流体从高压向低压自然流动,以平衡这两点的压差。从低压到高压区域的流动可以通过外部驱动力实现,如泵等。流体的流动模式可以分类,但不能准确地预测在一个瞬间的时间。所有的流体流动行为的预测都是使用软件使用数值技术来近似的流动行为在一个给定的瞬间。

流体流动方向

图像源

为了开始我们的流体流动研究,让我们首先了解流体流动的不同参数。这些参数是时间线、路径线、条纹线和流线。

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,为了演示恒定剪应力作用下流体颗粒的行为,引入时间轴来给出流体在每个时刻的变形。因此,在时间轴中,每个流体粒子都在给定的时间瞬间被跟踪。

时间轴视图:

路线:

如果我们跟踪一个流体粒子的路径一段时间,它形成路径线。例如,用染料和烟,对其随后的运动进行长时间曝光。粒子所追踪的路径是路径线。在这里,我们考虑流体的一个源粒子,并在给定的时间内观察它的路径。粒子在那段时间里所追踪的路径就是粒子的路径。

图:Pathline

条纹线:

如果我们在给定位置标记流体粒子路径一段时间,它将形成条纹线。在汽车风洞空气动力学试验中,烟雾向汽车释放,以评估空气动力和阻力。汽车上方的烟迹是一条直线。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,并跟踪形成Streakline的位置。188金宝手机版网页

流体流动中的条纹 无花果:纹线

流线型:

它是为流体粒子绘制的路径,因此与它相切给出了流体粒子在该点的速度方向。因为它们与流动相切,所以不可能有沿着流线的流动。它们用于流动可视化的计算机模拟,其中流线被绘制来表示流体颗粒追踪的速度场。

流体流动流线

图:流线型

流体流动类型

流体流动可分为以下几种类型:

  1. 均匀和非均匀流动
  2. 定常与非定常流动
  3. 旋转和非旋转流动
  4. 可压缩和不可压缩流动
  5. 粘性和非粘性流动
  6. 内外流
  7. 层流和湍流
  8. 1D、2D、3D流程

让我们一个一个来学习:

1.均匀和非均匀流动

如果流体的速度不随空间变化,则称流体流动是均匀的。因此,在这种类型的流体流动中,速度仅取决于时间,而不取决于流体粒子的X、Y、Z坐标。

如果流体的速度随空间的变化而变化,则称流体为非均匀流动。因此,在这种类型的流动中,速度是时间的函数和流体颗粒的X, Y, Z坐标。例如,如图所示,当截面面积不变化时,流体的流速是恒定的,但随着截面面积的变化,流体进入截面时,流体的流速也会发生变化。流在本质上变得非unifrom。

流体流经具有均匀截面的管道称为均匀流,如果流体流经无均匀(或锥形)截面的管道则称为非均匀流

2.定常与非定常流动

如果流体性质如速度和压力不随时间变化,则称流体流动是稳定的。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,条纹线、流线和路径线是相同的。

如果流体性质如速度和压力随时间而变化,则流体流动为非定常。因此,在此流中,流体属性依赖于时间和流体粒子的X, Y, Z坐标。对于这种类型的流动,条纹线、流线和路径线并不相同。

在给定的图中,第一个表达式为定常流动,第二个表达式为非定常流动。管道恒定流量为稳态流量,管道可变流量为非稳态流量。

3.旋转和非旋转流动

如果流体粒子在流线中移动时绕其轴旋转,则称为旋转流。
如果流体粒子以流线型运动,并且不绕其轴旋转,则称为无旋流。
我们可以通过计算流体的涡度来识别这种类型的流体,涡度取决于流体的速度。若涡度为零,则流体流动为无旋流动;否则,它就是旋转流。

4.可压缩和不可压缩流动

在可压缩流动中,流体的密度随时间和空间而变化。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转移到车轮上,以便刹车。如果流体是不可压缩的,它将转移由脚施加到车轮的精确压力,以有效的制动。如果流体是可压缩的,则传递到轮上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。

可压缩和不可压缩流体流动

借助马赫数,我们可以快速识别这些类型的流体流动。其定义如下:

Ma=V/Vs

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

5.粘性流和非粘性流:

在粘性流动中,流体颗粒在随后的各层之间具有粘性,因此,流体颗粒层之间发生相对运动。在无粘性流动中,流体颗粒在随后的层之间没有任何粘性,因此,流体颗粒之间不存在相对运动。

6.外部和内部流程:

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。完全被固体所包围的流动称为内部流动或管道流动。

外部流动:流体围绕汽车流动

如果任何一个固体不束缚流动,它被称为外部流动。例如,汽车上方的气流被称为“外部气流”,这是在软件和188金宝手机版网页风洞试验的帮助下可视化的。圆形管道内的流动是内部流动,在软件和简单的实验室实验的帮助下可以很容易地可视化。

7.层流和紊流

在层流中,流体颗粒在不同的层上运动,宏观上并不混合。在这种类型的流体流动中,我们可以预测在给定时刻的流动模式。在流程中,所有后续层都是相互平行的。

在紊流中,流体颗粒相互混合,流动变得随机。在这种类型的“流”中,“流”的模式无法在给定的时刻被准确预测。涡流形成,导致大量能量损失。

雷诺数用于预测流动,即是否为湍流和层流。公式如下所示:

= V * L /µ

哪里,

  • Re=雷诺数
  • V=流体的速度
  • L=发生流的对象的特征长度
  • µ=粘度系数

为内部流程,

0 < = < = 2000 层流
2000年< < = 4000 从层流过渡到湍流
4000年<再保险 湍流

对于外部流,

0<=Re<=100000 层流
100000年< < = 500000 从层流过渡到湍流
500000年<再保险 湍流

8.一维、二维和三维流体流动:

在一维流体流动中,流体参数(如速度)仅是时间和一个空间坐标的函数。

在二维流体流动中,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体的区别是什么?

回答- - - - - -可压缩流体讲的是流体及其密度变化,而可压缩流体只讲运动中的流体及其密度变化。流体在静态条件下具有恒定的密度,在动态条件下具有可变的密度。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 .。哪种类型的流体流动被考虑在过渡制度?

回答- - - - - -这取决于情况和您的计算机状况。如果你有一个接近过渡区湍流的值,并且有一台优秀的计算机进行模拟,那么选择湍流。如果没有,则选择层流。

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,它是外部流动。有一些空气进入汽车内部。由于它被固体所包围,因此,可以认为是内部流动。

问题4 .。在制动液的应用中应用的法律的名称是什么?

回答- - - - - -这个法律的名字叫帕斯卡法律。它指出,对于不可压缩流体,压力在所有方向上的传递是相等的。

问题5 .。为什么在稳定和非稳定流动中没有提到时间轴?

回答- - - - - -由于流体参数不依赖于时间,所以对于稳定流动没有时间轴的概念。

Q.6。泵是什么?

回答- - - - - -泵是一种外部介质,用于流体的运动,反其自然流动方向。例如,在蒸汽发电厂,泵用于将水从凝汽器输送到锅炉的高度。

问题7。什么是剪应力?

回答- - - - - -剪应力是施加在物体上的切向力所产生的应力。

米什拉

Pankaj Mishra是激情博客作者和专业机械工程师。他于2015年完成了机械工程理学学士学位。他喜欢分享自己的知识并帮助他人。

留下一个回复

您的电子邮件地址将不会被公布。已标记必填字段*

Ezoic报告这个广告