Stokes akışı - Stokes flow

Bir gaz veya sıvı içinde hareket eden bir nesne, bir güç hareketinin tersi yönde. Terminal hızı sürükleme kuvveti büyüklük olarak eşit, ancak nesneyi iten kuvvetin tersi yönde olduğunda elde edilir. Gösterilen bir küre Stokes akışında, çok düşük Reynolds sayısı.

Stokes akışı (adını George Gabriel Stokes ), ayrıca adlandırılmış sürünen akış veya sürünen hareket,[1] bir tür sıvı akışı nerede olumsuz atalet kuvvetler küçüktür yapışkan kuvvetler.[2] Reynolds sayısı düşük, yani . Bu, akışkan hızlarının çok yavaş, viskozitelerin çok büyük veya akışın uzunluk ölçeklerinin çok küçük olduğu akışlarda tipik bir durumdur. Sürünen akış ilk önce anlamak için çalışıldı yağlama. Doğada bu tür bir akış, yüzerken meydana gelir. mikroorganizmalar ve sperm[3] ve akışı lav. Teknolojide, boya, MEMS cihazlar ve viskoz akışta polimerler genellikle.

Stokes denklemleri adı verilen Stokes akışı için hareket denklemleri, doğrusallaştırma of Navier-Stokes denklemleri ve böylece doğrusal diferansiyel denklemler için iyi bilinen bir dizi yöntemle çözülebilir.[4] Birincil Green işlevi Stokes akışının StokesletStokes akışına gömülü tekil bir nokta kuvvetiyle ilişkili olan. Türevlerinden, diğer temel çözümler elde edilebilir.[5] Stokeslet ilk olarak Nobel Ödülü sahibi tarafından türetildi. Hendrik Lorentz, 1896 yılına kadar. Adına rağmen Stokes, Stokeslet'i hiç bilmiyordu; adı 1953'te Hancock tarafından icat edildi. Kapalı form temel çözümler genelleştirilmiş kararsız Stokes için ve Oseen akışları keyfi zamana bağlı öteleme ve dönme hareketleri ile ilişkili Newtonian için türetilmiştir[6] ve mikropolar[7] sıvılar.

Stokes denklemleri

Stokes akışı için hareket denklemi, doğrusallaştırılarak elde edilebilir. kararlı hal Navier-Stokes denklemleri. Eylemsizlik kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere kıyasla ihmal edilebilir olduğu varsayılır ve Navier-Stokes denklemlerindeki momentum dengesinin eylemsizlik terimlerinin ortadan kaldırılması, onu Stokes denklemlerindeki momentum dengesine indirger:[1]

nerede ... stres (viskoz ve basınç gerilmelerinin toplamı),[8][9] ve uygulanan bir vücut kuvveti. Tam Stokes denklemleri ayrıca kütlenin korunumu, genellikle şu şekilde yazılır:

nerede sıvı yoğunluğu ve sıvı hızı. Sıkıştırılamaz akış için hareket denklemlerini elde etmek için yoğunluğun, bir sabittir.

Ayrıca, ara sıra, terimin bulunduğu kararsız Stokes denklemleri de düşünülebilir. momentum denge denkleminin sol tarafına eklenir.[1]

Özellikleri

Stokes denklemleri, tümünün önemli ölçüde basitleştirilmesini temsil eder. Navier-Stokes denklemleri özellikle sıkıştırılamaz Newton'cu durumda.[2][4][8][9] Onlar lider sipariş tam Navier-Stokes denklemlerinin sadeleştirilmesi, ayırt edici limit

Anlıklık
Bir Stokes akışının, zamana bağlı olmak dışında zamana bağımlılığı yoktur. sınır şartları. Bu, bir Stokes akışının sınır koşulları göz önüne alındığında, akışın herhangi bir zamanda akış bilgisi olmadan bulunabileceği anlamına gelir.
Zamanın tersine çevrilebilirliği
Anlıklığın ani bir sonucu olan zamanda tersine çevrilebilirlik, zamanı tersine çeviren Stokes akışının orijinal Stokes akışıyla aynı denklemleri çözdüğü anlamına gelir. Bu özellik, tam olarak çözülmeden bir akış hakkında sonuçlar elde etmek için bazen (sınır koşullarında doğrusallık ve simetri ile birlikte) kullanılabilir. Zamanın tersine çevrilebilirliği, sürünen akışı kullanarak iki sıvıyı karıştırmanın zor olduğu anlamına gelir.
Stokes Flows'un zaman tersine çevrilebilirliği: Boya, iki eş merkezli silindir (üst panel) arasına sıkıştırılmış viskoz bir sıvıya enjekte edilmiştir. Çekirdek silindiri daha sonra boyayı yukarıdan bakıldığında bir spiral şeklinde kesmek için döndürülür. Boya, yandan bakıldığında (orta panel) sıvı ile karışmış görünmektedir. Daha sonra dönüş, silindiri orijinal konumuna getirerek tersine çevrilir. Boya "karışmaz" (alt panel). Tersine çevirme mükemmel değildir çünkü bir miktar boya difüzyonu meydana gelir.[10][11]

Bu özellikler, sıkıştırılamaz Newton Stokes akışları için doğru olsa da, doğrusal olmayan ve bazen zamana bağlı doğası Newton olmayan sıvılar daha genel durumda olmadıkları anlamına gelir.

Stokes paradoksu

Stokes akışının ilginç bir özelliği, Stokes paradoksu: iki boyutta bir diskin etrafında sıvının Stokes akışı olamayacağı; veya eşdeğer olarak, sonsuz uzunlukta bir silindir etrafında Stokes denklemleri için önemsiz bir çözüm bulunmaması gerçeği.[12]

Zamanın tersine çevrilebilirliğinin gösterilmesi

Bir Taylor – Couette sistemi eşmerkezli sıvı silindirlerinin görünür bir spiral şeklinde birbirini geçtiği laminer akışlar oluşturabilir.[13] Yüksek viskoziteli mısır şurubu gibi bir sıvı, şeffaf dış silindirden görülebilen sıvının renkli bölgeleri ile iki silindir arasındaki boşluğu doldurur.Silindirler, yüksek viskozite ile birlikte düşük bir hızda birbirlerine göre döndürülür. boşluğun sıvı ve ince olması düşük Reynolds sayısı, böylece renklerin görünen karışımı aslında laminer ve daha sonra yaklaşık olarak başlangıç ​​durumuna geri döndürülebilir. Bu, bir sıvıyı görünüşte karıştırmanın ve ardından karıştırıcının yönünü tersine çevirerek karıştırmanın dramatik bir gösterimini yaratır.[14][15][16]

Newtoniyen akışkanların sıkıştırılamaz akışı

Sıkıştırılamaz durumda Newton sıvısı Stokes denklemleri (vektörleştirilmiş) formu alır:

nerede ... hız sıvının gradyanı basınç, dinamik viskozite ve uygulanan bir vücut kuvveti. Elde edilen denklemler hız ve basınç açısından doğrusaldır ve bu nedenle çeşitli doğrusal diferansiyel denklem çözücülerden yararlanabilir.[4]

Kartezyen koordinatları

Hız vektörü şu şekilde genişledi: ve benzer şekilde vücut kuvvet vektörü vektör denklemini açıkça yazabiliriz,

Bu denklemlere şu varsayımları yaparak ulaşıyoruz: ve yoğunluk sabittir.[8]

Çözüm yöntemleri

Akış işlevine göre

Sıkıştırılamaz Newton Stokes akışının denklemi şu şekilde çözülebilir: akış işlevi düzlemsel veya 3 boyutlu eksenel simetrik durumlarda yöntem

İşlev türüGeometriDenklemYorumlar
Akış işlevi, 2-B düzlemsel veya (biharmonik denklem ) ... Laplacian iki boyutlu operatör
Stokes akışı işlevi, 3 boyutlu küresel nerede Türetilmesi için operatör görmek Stokes akış işlevi # Vorticity
3-D silindirik nerede İçin görmek [17]

Green'in işlevi ile: Stokeslet

Sıkıştırılamaz Newtoncu bir sıvı durumunda Stokes denklemlerinin doğrusallığı, Green işlevi, , var. Green'in işlevi, Stokes denklemlerinin, başlangıçta hareket eden bir nokta kuvveti ile değiştirilen zorlama terimi ve sonsuzda kaybolan sınır koşulları ile çözülmesiyle bulunur:

nerede ... Dirac delta işlevi, ve başlangıç ​​noktasında hareket eden bir nokta kuvveti temsil eder. Basınç için çözüm p ve hız sen ile |sen| ve p sonsuzda kaybolmak tarafından verilir[1]

nerede

ikinci sırada tensör (veya daha doğrusu tensör alanı ) olarak bilinir Oseen tensörü (sonra Carl Wilhelm Oseen ).[açıklama gerekli ]

Stokeslet ve nokta-kuvvet çözümü terimleri tanımlamak için kullanılır . Noktasal yüke benzer elektrostatik Stokeslet, bir güç kuvveti içerdiği başlangıç ​​noktası dışında her yerde kuvvet uygulanmaz. .

Sürekli kuvvet dağılımı için (yoğunluk) çözüm (yine sonsuzda kaybolur) daha sonra süperpozisyonla inşa edilebilir:

Hızın bu integral temsili boyutsallıkta bir azalma olarak görülebilir: üç boyutlu kısmi diferansiyel denklemden bilinmeyen yoğunluklar için iki boyutlu bir integral denklemine.[1]

Papkovich – Neuber çözümü tarafından

Papkovich – Neuber çözümü sıkıştırılamaz Newtonian Stokes akışının hız ve basınç alanlarını iki cinsinden temsil eder harmonik potansiyeller.

Sınır öğesi yöntemine göre

Stokes akışında bir baloncuğun şeklinin evrimi gibi belirli sorunlar, sayısal çözümlere yardımcı olur. sınır öğesi yöntemi. Bu teknik hem 2 hem de 3 boyutlu akışlara uygulanabilir.

Bazı geometriler

Hele-Shaw akışı

Hele-Shaw akışı atalet kuvvetlerinin ihmal edilebilir olduğu bir geometri örneğidir. Kısmen sıvı tarafından işgal edilen plakalar arasındaki boşlukla ve kısmen de plakalara normal jeneratörlere sahip silindir şeklindeki engellerle dolu plakalar arasındaki boşlukla çok yakın düzenlenmiş iki paralel plaka ile tanımlanır.[8]

İnce vücut teorisi

İnce vücut teorisi Stokes akışında, uzunlukları genişliklerine kıyasla büyük olan cisimlerin etrafındaki dönmesiz akış alanını belirlemenin basit yaklaşık bir yöntemidir. Yöntemin temeli, bir hat boyunca akış tekilliklerinin bir dağılımını seçmektir (gövde ince olduğundan), böylece bunların tekdüze bir akışla kombinasyon halinde dönmeyen akışları, sıfır normal hız koşulunu yaklaşık olarak tatmin eder.[8]

Küresel koordinatlar

Kuzu genel çözüm, baskıların tatmin eder Laplace denklemi ve bir dizi katı halinde genişletilebilir küresel harmonikler küresel koordinatlarda. Sonuç olarak, Stokes denklemlerinin çözümü şöyle yazılabilir:

nerede ve düzenin katı küresel harmonikleridir :

ve bunlar ilişkili Legendre polinomları. Kuzu'nun çözümü, sıvının bir kürenin içindeki veya dışındaki hareketini tanımlamak için kullanılabilir. Örneğin, akışkanın, önceden belirlenmiş yüzey akışına sahip küresel bir parçacık etrafındaki hareketini tanımlamak için kullanılabilir. sincap veya küresel bir sıvı damlası içindeki akışı tanımlamak için. İç akışlar için, ile terimler düşürülürken, dış kısımlar için şartlar düşürülür (genellikle kongre negatif sayılarla indekslemeyi önlemek için dış akışlar için varsayılır).[1]

Teoremler

Stokes çözümü ve ilgili Helmholtz teoremi

Stokes'in çözümü olarak da bilinen hareketli bir küreye karşı direnç direnci burada özetlenmiştir. Yarıçaplı bir küre verildiğinde , hızda seyahat dinamik viskoziteli bir Stokes sıvısında , sürükleme kuvveti tarafından verilir:[8]

Stokes çözümü, diğerlerinden daha az enerji yayar solenoid vektör alanı aynı sınır hızlarında: bu, Helmholtz minimum dağılma teoremi.[1]

Lorentz karşılıklı teoremi

Lorentz karşılıklı teoremi aynı bölgedeki iki Stokes akışı arasındaki ilişkiyi belirtir. Sıvı dolu bölgeyi düşünün yüzeyle sınırlı . Hız alanları olsun ve etki alanındaki Stokes denklemlerini çözün , her biri karşılık gelen stres alanlarına sahip ve . O zaman aşağıdaki eşitlik geçerlidir:

Nerede yüzeydeki birim normal mi . Lorentz karşılıklı teoremi, Stokes akışının toplam kuvveti ve torku değiştirmeden bir iç kapalı yüzeyden bir dış çevreleyen yüzeye "ilettiğini" göstermek için kullanılabilir.[1] Lorentz karşılıklı teoremi, bir mikroorganizmanın yüzme hızını ilişkilendirmek için de kullanılabilir. siyanobakteri vücut şeklindeki deformasyonlar yoluyla belirlenen yüzey hızına kirpikler veya kamçı.[18]

Faxén yasaları

Faxén yasaları ifade eden doğrudan ilişkilerdir çok kutuplu ortam akışı ve türevleri açısından momentler. İlk geliştiren Hilding Faxén kuvveti hesaplamak için ve tork, bir küre üzerinde aşağıdaki formu aldılar:

nerede dinamik viskozite, parçacık yarıçapı ortam akışı parçacığın hızı, arka plan akışının açısal hızı ve parçacığın açısal hızıdır.

Faxén yasaları, elipsoidler, sferoidler ve küresel damlalar gibi diğer şekillerin momentlerini tanımlamak için genelleştirilebilir.[1]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c d e f g h ben Kim, S. ve Karrila, S. J. (2005) Mikrohidrodinamik: İlkeler ve Seçilmiş UygulamalarDover. ISBN  0-486-44219-5.
  2. ^ a b Kirby, B.J. (2010). Mikro ve Nano Ölçekli Akışkanlar Mekaniği: Mikroakışkan Cihazlarda Taşıma. Cambridge University Press. ISBN  978-0-521-11903-0.
  3. ^ Dusenbery, David B. (2009). Mikro Ölçekte Yaşamak. Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts ISBN  978-0-674-03116-6.
  4. ^ a b c Leal, L. G. (2007). Gelişmiş Taşıma Olayları: Akışkanlar Mekaniği ve Konvektif Taşıma Süreçleri.
  5. ^ Chwang, A. ve Wu, T. (1974). "Düşük Reynolds sayılı akışların hidromekaniği. Bölüm 2. Stokes akışları için tekillik yöntemi" Arşivlendi 2012-03-07 tarihinde Wayback Makinesi. J. Fluid Mech. 62(6), bölüm 4, 787–815.
  6. ^ Shu, Jian-Jun; Chwang, A.T. (2001). "Kararsız viskoz akışlar için genelleştirilmiş temel çözümler". Fiziksel İnceleme E. 63 (5): 051201. arXiv:1403.3247. Bibcode:2001PhRvE..63e1201S. doi:10.1103 / PhysRevE.63.051201. PMID  11414893.
  7. ^ Shu, Jian-Jun; Lee, J.S. (2008). "Mikropolar sıvılar için temel çözümler". Mühendislik Matematiği Dergisi. 61 (1): 69–79. arXiv:1402.5023. Bibcode:2008JEnMa..61 ... 69S. doi:10.1007 / s10665-007-9160-8.
  8. ^ a b c d e f Batchelor, G.K. (2000). Akışkanlar Mekaniğine Giriş. ISBN  978-0-521-66396-0.
  9. ^ a b Happel, J. & Brenner, H. (1981) Düşük Reynolds Sayılı HidrodinamikSpringer. ISBN  90-01-37115-9.
  10. ^ Heller, John P (1960). "Karışmayan Bir Gösteri". Amerikan Fizik Dergisi. 28 (4): 348–353. doi:10.1119/1.1935802.
  11. ^ Reoloji: teori ve uygulamalar. Cilt 4. Eirich, Frederick R. New York: Academic Press. 1967. ISBN  9781483229416. OCLC  898101332.CS1 Maint: diğerleri (bağlantı)
  12. ^ Kuzu, Horace (1945). Hidrodinamik (Altıncı baskı). New York: Dover Yayınları. pp.602–604.
  13. ^ C. David Andereck, S. S. Liu ve Harry L. Swinney (1986). Bağımsız dönen silindirlere sahip dairesel bir Couette sistemindeki akış rejimleri. Journal of Fluid Mechanics, 164, s. 155–183 doi: 10.1017 / S0022112086002513
  14. ^ Dusenbery, David B. (2009). Mikro Ölçekte Yaşamak, s. 46. Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts ISBN  978-0-674-03116-6.
  15. ^ https://www.youtube.com/watch?v=p08_KlTKP50
  16. ^ http://panda.unm.edu/flash/viscosity.phtml
  17. ^ Payne, LE; WH Pell (1960). "Eksenel simetrik cisimler sınıfı için Stokes akış problemi". Akışkanlar Mekaniği Dergisi. 7 (4): 529–549. Bibcode:1960JFM ..... 7..529P. doi:10.1017 / S002211206000027X.
  18. ^ Stone, Howard A .; Samuel, Aravinthan D. T. (Kasım 1996). "Yüzey Bozulmaları ile Mikroorganizmaların İtilmesi". Fiziksel İnceleme Mektupları. 19. 77 (19): 4102–4104. Bibcode:1996PhRvL..77.4102S. doi:10.1103 / PhysRevLett.77.4102. PMID  10062388.

Dış bağlantılar