Virtauskanavat

Virtauskanavat ovat rakenteita tai reittejä, joiden kautta väliaineet kuten nesteet ja kaasut liikkuvat. Niitä esiintyy sekä luonnossa että ihmisen suunnittelemissa järjestelmissä: virtaava vesi avoimissa kanavissa, ilma ilmastointikanavissa sekä nesteiden ja kaasujen siirto putkistoissa.

Kanavat jaetaan yleensä avoimiin ja suljettuihin virtauskanaviin. Avoimia ovat esimerkiksi joki- ja kastelu- sekä viemäri- ja kanavajärjestelmien avokanavat; suljetut virtauskanavat ovat putket ja kotelokanavat, joissa virta on kokonaan kanavan sisällä. Biologisissa ja mikrofluidiikan sovelluksissa virtauskanavia kutsutaan usein mikrokanaviksi, jotka voivat esiintyä verisuonistossa, hengitysteissä tai tutkimuslaitteissa.

Fysiikallisesti virtauskanavat käsittävät nesteiden tai kaasujen liikkeen kanavassa. Vauhti voi olla laminaria tai turbulenttia riippuen Reynolds-luvusta, geometriasta ja väliaineen ominaisuuksista. Keskeisiä teorioita ovat laminaarivirtauksessa Hagen–Poiseuille'n laki ja yleisemmin painehäviöiden kuvaamiseen Darcy–Weisbach -yhtälö. Ominaisuuksiin vaikuttavat kitka, pinnan karheus ja paine-ero.

Suunnittelussa huomioidaan poikkileikkaus, halkaisija, kanavan pituus, pintamateriaali sekä nesteen viskositeetti ja haluttu paine-ero. Lämpötilavaihtelut, vuodot sekä valmistus- ja materiaalirajoitteet vaikuttavat suorituskykyyn. Analyyseissä käytetään usein liike-yhtälöitä sekä CFD-menetelmiä, joiden avulla voidaan mallintaa monimutkaisempia virtausskenaarioita.

Virtauskanavien tutkimus ja suunnittelu on keskeistä vesihuollossa, ilmanlaadun hallinnassa, teollisissa prosesseissa sekä biolaboratorioissa. Esimerkkejä ovat vesijohtoverkostojen putkistot, kaupungin viemäri- ja ilmanvaihtokanavat sekä mikrofluidiset mikrosirut.