Transportdynamiek

Transportdynamiek is het vakgebied dat onderzoekt hoe fysische grootheden zoals massa, impuls en energie in tijd en ruimte worden verplaatst binnen en tussen systemen. Het omvat transportprocessen in vloeistoffen, gassen en vaste stoffen, evenals in poreuze media. De dynamiek wordt bepaald door gradienten, krachten en de interactie tussen de betrokken mediatypen, en kan van moleculaire tot macroniveau worden beschreven met behulp van conservatiewetten en constitutieve relaties.

Belangrijke mechanismen zijn diffusie (transport door willekeurige moleculaire beweging onder invloed van concentratiegradiënten, beschreven door de wet van Fick), advection of convectie (verplaatsing met een bulkstroom) en warmte- of massatransport via geleidbaarheid (wet van Fourier en, in elektrische context, Ohm's wet). In veel systemen spelen ook convectie, chemische reacties en faseveranderingen een rol, waardoor de samenstelling en energiebalans evolueren.

De wiskundige kern bestaat uit conservatiewetten: de continuïteitsvergelijking voor massa, de impulsen- of Navier–Stokes-vergelijkingen voor vloeistoffen, en de energiebalans, aangevuld met species-transportvergelijkingen. Eenvoudiger modellen gebruiken de advections-diffusie-vergelijking. Constitutieve wetten zoals de wet van Fick, de wet van Fourier en Darcy's wet beschrijven de relatie tussen fluxen en gradiënten in verschillende media.

Toepassingen van transportdynamiek bevinden zich in milieuwetenschappen (verplaatsing van verontreinigende stoffen in rivieren en grondwater), chemische en procestechniek (reactorontwerp, menging en scheiding), biomedische systemen (bloed- en stoftransport in weefsels), energietechnieken (warmteoverdracht in warmtewisselaars) en weers- en klimaatmodellen (transport van warmte en vocht). Numerieke methoden zoals computational fluid dynamics (CFD) en de eindige-elementenmethode worden vaak ingezet om transportprocessen te simuleren en ontwerpvragen te beantwoorden.