virtausongelmia

Virtausongelmia ovat tilanteita, joissa nesteen tai kaasun liike halutaan kuvata, ennustaa tai optimoida. Niitä esiintyy laajasti tekniikassa ja luonnontieteissä, kuten putkiverkostoissa, ilman- ja hydrauliikassa, prosessiteollisuudessa sekä ympäristö- ja geofysiikassa. Tyypillisiä tavoitteita ovat nopeuksien ja paineiden jakaumien määrittäminen, virtauksen säilymisen varmistaminen sekä sekoittumis- tai lämmönsiirtoprosessien optimointi. Virtausongelmat voivat olla staattisia tai dynaamisia, laminaarisia tai turbulenteja, sekä in- tai kolmessa ulottuvuudessa.

Käytetyt matemaattiset mallit perustuvat säilyvyyslainsäädäntöihin: massan, momentumin ja energian säilymiseen. Yleisesti käytetään Navier–Stokesiaineita viskoosille nesteelle tai Eulerin jaetaan ideaalilisiat, riippuen oletuksista. Käytännössä mallit voivat olla inhimillistettyjä: epäjatkuvuudet rajoittivat boundary conditions (nopeus- ja paine-olosuhteet, karkeat rajapinnat), sekä kuumuus- ja massansiirtöitä. Monimutkaisissa tapauksissa avustetaan numeerisesti.

Ratkaisuprosessi jakautuu analyyttisiin ja numeerisiin menetelmiin. Yleisiä analyyttisiä ratkaisuja on rajoitetusti, esimerkiksi laminaarisen putkiveren Hagen–Poiseuille -tyyppiset ratkaisut. Suurempiin, todellisiin järjestelmiin sovelletaan usein CFD-atlaita (tietokonesimulointi) sekä erilaisia turbulenssimalleja (RANS, LES, DNS), joiden avulla saavutetaan käytännöllisiä tuloksia. Virtausongelmien ratkaisuun liittyy usein huonontumisia ja epävarmuutta konvergenssissa, meshin tarkkuudessa sekä suureiden, kuten Reynolds- tai Mach-luvun, vaikutuksessa.

Sovellukset kattavat suunnittelun, optimoinnin ja tulosten tulkinnan eri aloilla, ja virtausongelmien hallinta on keskeistä tehokkuuden, turvallisuuden ja ympäristövaikutusten kannalta.