Girdap (akışkan dinamiği) - Eddy (fluid dynamics)

Bir silindirin etrafındaki girdap sokağı . Bu, akışın ~40 ila ~1000 aralığında bir Reynolds sayısına sahip olması koşuluyla, herhangi bir sıvı, silindir boyutu ve sıvı hızı için silindirler ve küreler etrafında meydana gelebilir .

Gelen sıvı dinamiği , bir girdap bir savrulma olan sıvı ve geri akım akışkan türbülanslı bir akım rejiminde olduğunda oluşturulur. Hareket eden akışkan, nesnenin akış aşağı tarafında akış aşağı akan akışkandan yoksun bir alan yaratır. Engelin arkasındaki sıvı, engelin her bir kenarında bir sıvı girdabı oluşturarak boşluğa akar, ardından engelin arkasından engelin arkasına doğru yukarı doğru akan kısa bir ters sıvı akışı izler. Bu fenomen doğal olarak hızlı akan nehirlerde ortaya çıkan büyük kayaların arkasında gözlenir.

Mühendislikte girdap ve girdaplar

Bir sıvının girdap eğilimi, içten yanmalı motorlarda iyi yakıt/hava karışımını desteklemek için kullanılır.

Gelen sıvı mekaniği ve taşıma olayları , bir indüksiyon akışkan bir özelliği, fakat konum ve türbülanslı akış yönüne neden şiddetli bir girdap hareketi değildir.

Laminer akış (solda), türbülanslı akış, zaman ortalamalı (ortada) ve türbülanslı akış için dairesel bir boru boyunca hareket eden bir sıvının hız dağılımını gösteren bir diyagram, anlık tasvir (sağda)

Reynolds sayısı ve türbülans

Reynolds Deneyi (1883). Osborne Reynolds aparatının yanında duruyor.

1883'te bilim adamı Osborne Reynolds , su ve boya içeren bir akışkanlar dinamiği deneyi yaptı, burada akışkanların hızlarını ayarladı ve girdap ve girdap oluşumu ile karakterize edilen laminer akıştan türbülanslı akışa geçişi gözlemledi. Türbülanslı akış, sistemin atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetler üzerinde baskın olduğu akış olarak tanımlanır. Bu fenomen, türbülanslı akışın ne zaman olacağını belirlemek için kullanılan birimsiz bir sayı olan Reynolds sayısı ile tanımlanır . Kavramsal olarak, Reynolds sayısı atalet kuvvetleri ile viskoz kuvvetler arasındaki orandır.

Durgun havada sıradan bir mumdan yükselen termal konveksiyon bulutunu gösteren Schlieren fotoğrafı . Tüy başlangıçta laminerdir, ancak görüntünün üst 1/3'ünde türbülansa geçiş gerçekleşir. Görüntü, Gary Settles tarafından bir metre çapında schlieren ayna kullanılarak yapıldı.

Yarıçapı r (veya d çapı) olan bir borudan akan Reynolds sayısının genel formu:

burada V bir hız sıvı, ρ onun bir yoğunluk , r, borunun yarıçapı ve μ olan viskozite akışkanın. Bir akışkandaki türbülanslı akış, kapalı bir boru için kritik Reynolds sayısı ile tanımlanır, bu yaklaşık olarak

Kritik Reynolds sayısı açısından kritik hız şu şekilde temsil edilir:

Araştırma ve Geliştirme

Hesaplamalı akışkanlar dinamiği

Bunlar, Navier-Stokes denklemlerinin Reynolds ortalamasından elde edilen Reynolds gerilmelerinin, ortalama akış gerilme alanı ile doğrusal bir yapısal ilişki ile modellendiği türbülans modelleridir :

nerede

  •  türbülans "viskozite" olarak adlandırılan katsayıdır (girdap viskozitesi olarak da adlandırılır)
  • ortalama türbülanslı kinetik enerjidir
  •  olan ortalama gerilme oranı
İki denklemli türbülans modellerini (veya için bir taşıma denklemini çözen herhangi bir başka türbülans modelini) çözerken , 'nin doğrusal kurucu ilişkiye dahil edilmesinin, tensör cebir amaçları tarafından gerekli olduğuna dikkat edin  .

Hemodinami

Hemodinamik , dolaşım sistemindeki kan akışının incelenmesidir. Arteriyel ağacın düz bölümlerindeki kan akışı tipik olarak laminerdir (yüksek, yönlendirilmiş duvar gerilimi), ancak sistemdeki dallar ve eğrilikler türbülanslı akışa neden olur. Arter ağacındaki türbülanslı akış, aterosklerotik lezyonlar, cerrahi sonrası neointimal hiperplazi, stent içi restenoz, ven baypas greft yetmezliği, transplant vaskülopatisi ve aort kapak kalsifikasyonu dahil olmak üzere bir dizi ilgili etkiye neden olabilir.


Endüstriyel işlemler

Golf toplarının kaldırma ve sürükleme özellikleri, topun yüzeyindeki çukurların manipülasyonu ile özelleştirilir, bu da golf topunun havada daha fazla ve daha hızlı hareket etmesine izin verir. Türbülanslı akış olgusundan elde edilen veriler, akışkanları iyice karıştırmak ve endüstriyel işlemlerde reaksiyon hızlarını artırmak için kullanılan akışkan akış rejimlerindeki farklı geçişleri modellemek için kullanılmıştır.

Akışkan akımları ve kirlilik kontrolü

Okyanus ve atmosferik akımlar, dünyanın her yerine parçacıkları, enkazları ve organizmaları aktarır. Fitoplankton gibi organizmaların taşınması ekosistemlerin korunması için gerekli olmakla birlikte , petrol ve diğer kirleticiler de mevcut akışa karışır ve kirliliği kaynağından çok uzağa taşıyabilir. Girdap oluşumları, çöpleri ve diğer kirleticileri, araştırmacıların temizliği ve kirliliğin önlenmesini iyileştirmek için izledikleri yoğun alanlara dolaştırır. Doğal su kütlelerinde girdap oluşumlarının neden olduğu plastiklerin dağılımı ve hareketi, Lagrange taşıma modelleri kullanılarak tahmin edilebilir. Orta ölçekli okyanus girdapları, ısıyı kutuplara doğru aktarmanın yanı sıra farklı derinliklerde ısı gradyanlarını korumada önemli roller oynar.

Çevresel akışlar

Türbülans ve kader taşıma fenomenleriyle ilgili olduğu için girdap gelişimini modellemek, çevresel sistemlerin anlaşılmasında hayati öneme sahiptir. Bilim adamları ve mühendisler, çevresel akışlarda hem partikül hem de çözünmüş katıların taşınmasını anlayarak, kirlilik olayları için iyileştirme stratejilerini verimli bir şekilde formüle edebilecekler. Girdap oluşumları, nehirler, göller, okyanuslar ve atmosfer gibi çevresel akışlarda çözünen maddelerin ve parçacıkların kaderi ve taşınmasında hayati bir rol oynar. Tabakalı kıyı haliçlerinde yukarı doğru yükselme, besinleri sınır tabakasının altından tüyler oluşturmak üzere dağıtan dinamik girdapların oluşumunu garanti eder. Kıyı boyunca olanlar gibi sığ sular, rüzgar tarafından yönlendirilen üst sınırın ve su kütlesinin dibine yakın olan alt sınırın yakınlığı nedeniyle besinlerin ve kirleticilerin taşınmasında karmaşık bir rol oynar.

Orta ölçekli okyanus girdapları

Bu durumda, Batı Afrika kıyılarındaki Madeira ve Kanarya Adaları'ndaki engellerin rüzgarı altında , girdaplar girdap sokakları adı verilen çalkantılı desenler yaratır.

Girdaplar okyanusta yaygındır ve çapları santimetre ile yüzlerce kilometre arasında değişir. En küçük ölçekli girdaplar birkaç saniye sürebilirken, daha büyük özellikler aylarca yıllarca sürebilir.

Çapı yaklaşık 10 ila 500 km (6,2 ve 310.7 mil) arasında olan ve günler ila aylar boyunca devam eden girdaplar, oşinografide orta ölçekli girdaplar olarak bilinir.

Orta ölçekli girdaplar iki kategoriye ayrılabilir: bir engelin etrafındaki akışın neden olduğu statik girdaplar (animasyona bakın) ve baroklinik kararsızlığın neden olduğu geçici girdaplar.

Okyanus bir deniz yüzeyi yükseklik gradyanı içerdiğinde, bu Antarktika Circumpolar Akımı gibi bir jet veya akıntı oluşturur. Bu akıntı, baroklinik olarak kararsız bir sistemin parçası olarak kıvrılır ve girdaplar yaratır (menderesli bir nehrin bir öküz-yay gölü oluşturmasıyla aynı şekilde). Bu tür orta ölçekli girdaplar, diğerleri arasında Gulf Stream, Agulhas Current, Kuroshio Current ve Antarctic Circumpolar Current dahil olmak üzere birçok büyük okyanus akıntısında gözlenmiştir.

Orta ölçekli okyanus girdapları, girdabın merkezi etrafında kabaca dairesel bir hareketle akan akımlarla karakterize edilir. Bu akımların dönme hissi ya siklonik ya da antisiklonik olabilir ( Haida Eddies gibi ). Okyanus girdapları da genellikle girdap dışındakilerden farklı su kütlelerinden yapılır. Yani, girdap içindeki su, girdap dışındaki sudan genellikle farklı sıcaklık ve tuzluluk özelliklerine sahiptir. Bir girdabın su kütlesi özellikleri ile dönüşü arasında doğrudan bir bağlantı vardır. Sıcak girdaplar antisiklonik olarak dönerken, soğuk girdaplar siklonik olarak döner.

Girdaplar, onlarla ilişkili güçlü bir sirkülasyona sahip olabileceğinden, denizdeki deniz ve ticari operasyonlar için endişe vericidir. Ayrıca girdaplar hareket ederken anormal derecede sıcak veya soğuk su taşıdıklarından, okyanusun belirli bölümlerinde ısı taşınımı üzerinde önemli bir etkiye sahiptirler.

Ayrıca bakınız

Referanslar