virtausdynamiikasta

Virtausdynamiikka on fysikaalinen tieteenala, joka tutkii nesteiden ja kaasujen liikettä sekä siihen vaikuttavia voimia. Se kattaa sekä yksinkertaiset virtaukset putkissa ja kanavissa että monimutkaiset geofysikaaliset ja teolliset ilmiöt, kuten ilmavirrat ja suurten vesistöjen virtaukset. Tutkimus yhdistää mekaniikan ja termodynamiikan periaatteet ja kuvaa, miten paine, nopeus, tiheys ja viskositeetti riippuvat sijainnista ja ajasta.

Keskeiset lait ovat massan säilymisen jatkuvuusyhtälö sekä Newtonin liikelakien pohjalta johdetut liikeyhtälöt. Viskoosin nesteen tapauksessa käytetään Navier–Stokes-yhtälöitä; invisiidissä tapauksissa Eulerin yhtälöt riittävät. Incompressible-virtauksissa tiheys voidaan ottaa vakiona, kun taas compressible-virtausten tiheys muuttuu suuresti nopeuksien kasvaessa.

Virtausta voidaan luokitella laminaariseksi tai turbulentiksi. Reynolds-lukua käytetään kuvaamaan tätä eroa; matalilla arvoilla virtaus on yleensä laminaarinen, korkeammilla arvoilla syntyy turbulenttia liikettä. Bernoullin periaate antaa paineen ja nopeuden välisen yhteyden usein ideaalivirtauksissa, joissa neste on epäviskoos ja virtaus on suhteellisen staattinen.

Dimensionaaliset luvut antavat nopeasti käsityksen virtauksesta. Yleisiä ovat Reynoldsin luku (viskoosi-inertiaalinen tasapaino), Mach-luku (kompressiivisyys), sekä Strouhalin ja Nusseltin luvut virtojen erityistilanteissa.

Käytännössä virtausdynamiikkaa mallinnetaan kokeellisesti ja numeerisesti. Kokeellisia menetelmiä ovat virtausnäkymä, putkikokeet sekä PIV- ja hot-wire-anemometria. Tietokonemallinnuksessa käytetään CFD:tä, jossa Navier–Stokes-yhtälöt ratkaistaan numeerisesti. Sovelluksia ovat ilmailu, autoala, energiateollisuus ja ympäristötiede.