Virtausdynamiikan

Virtausdynamiikka on nesteiden ja kaasujen liikkeen fyysinen tutkimus. Se käsittelee miten virtaavat aineet liikkuvat, miten paine, tiheys ja lämpötila muuttuvat sekä miten virtaus reagoi ympäristöönsä, esimerkiksi rajoittaviin pinnoihin ja valtateiden kaltaisiin rakenteisiin. Keskeisiä kysymyksiä ovat sekä staattiset että dynaamiset tilat, kuten laminaarisuus ja turbulenssi, sekä virtausten syntyminen ja kehitys erilaisissa olosuhteissa.

Peruslait koostuvat säilyvyyslaitoista. Massan säilyminen kuvaa jatkuvuusyhtälöä, joka sanoo että tilavuuteen virtaavan ja sieltä lähtevän massan tulee olla yhtä suuri. Liikemäärän säilyminen tuottaa Navier–Stokes -yhtälön, joka kuvaa nesteen nopeuden muutoksia paineen gradientin, viskositeetin (kitkavoiman) ja mahdollisten ulkoisten voimien vaikutuksesta. Yleistettynä Newtonin mekaniikan mukaan virtaus voidaan jakaa invisiivisiin (Euleri) ja viskoosiin malleihin; viskoosit tilat johtavat epätoivottuihin, kuten hitaan paineen jakautumiseen.

Incompressible-tilassa tiheys pysyy käytännössä vakiona ja ∇·v on nolla, kun taas compressible-tilassa tiheys voi muuttua, mikä on tärkeää esimerkiksi korkeissa nopeuksissa. Laminaari- ja turbulenttivirtaukset erotellaan Reynoldsin luvun avulla, Re = ρVL/μ, jossa suurta Re voidaan pitää turbulenssia aiheuttavana tekijänä. Potentiaalivirtaukset ovat ideaalissa, irrotomissa tilassa, missä v = ∇φ.

Sovellukset ulottuvat ilmailusta, rakennus- ja koneistustekniikasta meteorologiaan ja merentutkimukseen. Menetelmät vaihtelevat analyyttisista ratkaisuista sekä kokeellisista mittauksista että numeerisista simuloinneista, kuten laskennallisesta (CFD) virtausdynamiikasta. Historiallisesti Eulerin, Navierin ja Stokesin työ sekä Bernoullin periaatteet ovat muokanneet sen käsitteellistä perustaa.