Stroommechanica: Typen, Gedrag en Toepassingen van Vloeistofstroming

Eerder werd vloeistofmechanica uitgelegd, waarbij vloeistofstroomica een tak is die zich bezighoudt met vloeistofstroming: de beweging van een vloeistof onderworpen aan ongebalanceerde krachten. Deze beweging blijft zolang de ongebalanceerde krachten uitgeoefend worden. Vandaag bespreken we de verschillende typen vloeistofstroming, geclassificeerd op basis van variaties in kenmerken als snelheid, dichtheid, etc. De analysemethode in vloeistofmechanica varieert per stromingstype.

Verschillende typen vloeistofstroming

Stationaire en niet-stationaire stroom (Steady and Unsteady Flow)

Een stroom is stationair als vloeistofkenmerken (dichtheid, snelheid, druk) in een punt niet veranderen met de tijd. Wiskundig: ∂V/∂t = 0, ∂P/∂t = 0, ∂ρ/∂t = 0.

Een stroom is niet-stationair als deze kenmerken in een punt wel veranderen met de tijd: ∂V/∂t ≠ 0, ∂P/∂t ≠ 0, ∂ρ/∂t ≠ 0.

Uniforme en niet-uniforme stroom (Uniform and Non-uniform Flow)

Uniforme stroom: stroomsnelheid op een gegeven moment verandert niet met de ruimte (lengterichting van de stroom). ∂V/∂s = 0.

Niet-uniforme stroom: stroomsnelheid op een gegeven moment verandert wel met de ruimte. ∂V/∂s ≠ 0.

Laminare en turbulente stroom (Laminar and Turbulent Flow)

Laminare stroom: vloeistofdeeltjes bewegen langs gedefinieerde stroomlijnen (streamlines). Alle stroomlijnen zijn recht en parallel. Deeltjes bewegen in lamina's (lagen) die glad over elkaar glijden. Laminar als Reynoldsgetal (Re) < 2000.

Turbulente stroom: deeltjes bewegen in zigzag-patroon, vormend hoge turbulentie en wervels (eddies) → hoge energieverlies. Turbulent als Re > 4000.

Overgangsgebied: Re tussen 2000 en 4000. In pijpstroming gekarakteriseerd op basis van Reynoldsgetal.

Comprimeerbare en incomprimeerbare stroom (Compressible and Incompressible Flow)

Comprimeerbaar: vloeistofdichtheid verandert van punt tot punt (ρ ≠ constant). Kenmerkend voor gassen.

Incomprimeerbaar: dichtheid constant (ρ = constant). Vloeistoffen zijn over het algemeen incomprimeerbaar.

Rotatie en irrotationele stroom (Rotational and Irrotational Flow)

Rotatie: vloeistofdeeltjes draaien om hun eigen as terwijl ze langs stroomlijnen bewegen.

Irrotationeel: deeltjes draaien niet om hun eigen as tijdens strooming langs stroomlijnen.

Eén-, twee- en driedimensionale stroom (One-, Two-, and Three-dimensional Flow)

1D-stroom: stroomsnelheid als functie van tijd en één ruimtelijke coördinaat. u = f(x,t), v = 0, w = 0. Snelheid in y- en z-richting verwaarloosbaar.

2D-stroom: snelheid als functie van tijd en twee rechthoekige ruimtelijke coördinaten. Snelheid in derde richting verwaarloosbaar. u = f(x,y,t), v = g(x,y,t), w = 0.

3D-stroom: snelheid als functie van tijd en drie wederzijds loodrechte ruimtelijke coördinaten (x, y, z). u = f(x,y,z,t), v = g(x,y,z,t), w = h(x,y,z,t).

Typen vloeistoffen

• Ideale vloeistof: incomprimeerbaar, nul viscositeit. Theoretisch concept, bestaat niet in werkelijkheid.
• Reële vloeistof: bezit viscositeit.
• Newtoniaanse vloeistof: gehoorzaamt aan Newton's viscositeitswet.
• Non-Newtoniaanse vloeistof: gehoorzaamt niet aan Newton's viscositeitswet.
• Ideale plastische vloeistof: afschuifspanning evenredig aan snelheidsgradiënt, en afschuifspanning > oploopwaarde (yield value).
• Incomprimeerbare vloeistof: dichtheid verandert niet bij externe kracht.
• Comprimeerbare vloeistof: dichtheid verandert bij externe kracht.

Overzichtstabel dichtheid en viscositeit:

Conclusie

Dit artikel behandelde de verschillende typen vloeistofstroming (stationair/niet-stationair, uniform/niet-uniform, laminair/turbulent, comprimeerbaar/incomprimeerbaar, rotationeel/irrotationeel, 1D/2D/3D) en de klassificatie van vloeistoffen (ideaal, reëel, Newtoniaans, non-Newtoniaans, ideaal plastisch, incomprimeerbaar, comprimeerbaar) met hun kenmerkende dichtheid en viscositeit.