Nestevirtaus

Nestevirtaus viittaa nesteen, kuten veden tai öljyn, liikkeeseen järjestelmässä tai luonnossa. Virtaus syntyy paine-eroista ja/tai painovoimasta sekä nesteen ominaisuuksista, kuten tiheydestä ja viskositeetista. Sitä tarkastellaan sekä teknisissä laitteissa ja putkistoissa että luonnollisissa ilmiöissä, esimerkiksi joissa, puroissa ja pohjavedessä.

Keskeiset periaatteet ovat massan säilyminen ja liikemäärän säilyminen. Kontinuitettilaki: ∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0. Momentumin säilymistä kuvaa Navier–Stokesin yhtälö: ρ(Dv/Dt) = -∇p + μ∇²v + ρg. Incompressible (tiheys vakio) tapauksessa ∇·v = 0 ja ρ on vakio; Newtonian nesteessä viskositeetti μ määrittelee vastuksen liikettä vastaan. Energiakin voi olla mukana, mikä johtaa lämpötilan ja lämpöenergian vaihtelujen huomioon ottamiseen.

Nestevirta voidaan luokitella laminaariseksi tai turbulenttiseksi. Reynolds-luvulla Re = ρVD/μ mitataan, missä V on karakteristinen nopeus ja D karakteristinen mitoitushalkaisija. Laminaarisessa virrassa epäjärjestäytymättömien kerrosten liike on vakaata; turbulenttisessa virrassa esiintyy nopeusvaihteluja ja sekoittumista.

Mittaus ja simulointi perustuvat sekä kokeellisiin että numeerisiin menetelmiin. Virtausnopeudet ja tilavuusvirta Q mitataan virtausmittareilla (esim. venturi-, aukko- tai Pitot-mitoituksilla). CFD (laskennallinen fluiditasetöö) ratkaisee Navier–Stokesin yhtälöt numeerisesti. Porous mediaan sovellettavissa tilanteissa käytetään Darcy-lakia ja sen laajennuksia.

Sovelluksia ovat putkistot, vedenjakelu, teolliset prosessit, hydrauliset rakenteet, ympäristö- ja biolääketieteelliset virtaussovellukset sekä mikrofluidiikka.