Hydrodynamiikka

Hydrodynamiikka on nesteiden virtausten dynamiikan tutkimus. Se käsittelee nesteiden liikkeen sekä liikkeen aiheuttamia voimia, paineen muutoksia ja vuorovaikutuksia ympäristön kanssa. Hydrodynamiikkaa sovelletaan sekä luonnonilmiöiden että teknisten järjestelmien mallintamiseen, kuten merivirtojen ja jokivirtausten sekä laivojen muotoilun ja hydraulisten koneiden suunnittelun yhteydessä, sekä biologisten virtausten analysoinnissa.

Keskeiset periaatteet perustuvat massan ja liikemäärän säilymiseen. Nesteen liike kuvataan Navier–Stokes-yhtälöillä, jotka yhdistävät paineen, viskositeetin ja ulkoiset voimat. Ilman viskositeettia voidaan käyttää Eulerin yhtälöitä. Jatkuvuusyhtälö kuvaa massan säilymistä. Rajapinnat määrittävät, miten neste vuorovaikuttaa ympäristön kanssa: seinillä noudatetaan liukumattomuuden ehtoa ja vapaan pinnan tapauksessa rajapinta veden ja ilman välillä määrittää rajavuorovaikutukset.

Virtausta voidaan luokitella laminaariksi tai turbulentiksi: laminaarinen virtaus on järjestäytynyttä, kun taas turbulenssi on sekoittunutta ja epäjatkuvaa. Reynoldin luku mittaa tätä eroa ja riippuu nesteen ominaisuuksista sekä virtaavan tilavuuden nopeudesta. Rajakerroksella (boundary layer) on suuri vaikutus painehäviöihin ja vastuksiin, ja vapaa pinta kuvaa tilannetta, jossa neste sijaitsee avoimessa tilassa ilmamassan kanssa.

Historiallisesti hydrodynamiikan kehitys on kulkenut useiden tutkijoiden kautta: merkittäviä panoksia ovat tehneet Bernoulli, Euler, Navier ja Stokes. Nykyisin alalla yhdistyvät kokeelliset menetelmät ja laskennallinen virtaustekniikka (CFD). Keskeisiä sovelluksia ovat laivojen muotoilu ja potkurien optimointi, hydrauliikka ja tekniset nestevirtausselvitykset sekä biologisten virtausten, kuten verenkierron, analyysi.