Virtausprosesseja

Virtausprosessi on fysikaalinen prosessi, jossa ainemassa siirtyy tilan sisällä tai rajapinnoilla paine-, lämpötila- tai koostumusgradienttien vaikutuksesta. Siihen voi kuulua sekä nesteiden että kaasujen virta sekä näiden sekoittuminen, massansiirto, lämpösiirto ja joskus kemialliset reaktiot.

Virtausprosesseja voidaan luokitella monin tavoin. Esimerkiksi tasainen virtaus (steady) versus muuttuva virtaus (transient), laminaarinen (sujuva) versus turbulenta (monimutkainen, sekoittava) virtaus, sekä yhden- tai moniaineneja virtausten sekä incompressible (ei tiivistyvä) versus compressible (tiivistyvä) virta. Lisäksi voidaan erottaa poro- ja ei-poroosissa tapahtuvat virtaukset sekä isothermal- että nonisothermal-tilat. Nämä luokittelut vaikuttavat siihen, miten virtaus mallinnetaan ja mitataan.

Fysikaalinen kuvaus perustuu massan, liikemäärän ja energian säilymisen periaatteisiin. Pääperiaatteena käytetään Navier-Stokes -yhtälöitä, jotka kuvaavat nesteen tai gaasin liikettä sekä jatkuvuusyhtälöä massan säilyvyydelle. Yhtälöt ovat usein osittaisdifferentiaaliyhtälöitä, joita ratkaistaan sekä analyyttisesti rajoitetuissa geometrioissa että numeerisesti. Tämä vaatii myös rajapintoja, alkutilaa ja reunaehtoja, sekä usein turbulenssin mallintamista.

Reynoldin luku on keskeinen mittari virtausluonteen kuvaamisessa: matala Re viittaa laminaarisuuteen, korkea Re puolestaan turbulenssiin. Muita tärkeitä määrityksiä ovat Prandtl- ja Schmidt-luvut, jotka yhdistävät lämmön ja massan siirron ominaisuuksiin.

Tutkimuksessa käytetään analyyttisiä ratkaisuja, kokeellisia mittauksia sekä numeerisia simulointeja (CFD). Virtausprosesseja sovelletaan putki- ja säiliöjärjestelmistä, lämmönvaihtimista, ilmanvaihdosta, ympäristö- ja teollisuusprosesseihin sekä biolääketieteellisiin sovelluksiin. Haasteita ovat turbulenssin tarkka kuvaaminen, monivaiheisten ja reaktiopohjaisten järjestelmien mallintaminen sekä rajapintojen ja heterogeenien aineiden käsittely.