แนวคิดพื้นฐานของการเคลื่อนที่ของไหล – หลักการของพลศาสตร์ของไหลคืออะไร

การแนะนำ

ในบทก่อนหน้านี้ได้แสดงให้เห็นแล้วว่า สถานการณ์ทางคณิตศาสตร์ที่แม่นยำสำหรับแรงที่กระทำโดยของเหลวที่อยู่นิ่งนั้นสามารถหาได้ง่าย เนื่องจากในสภาวะไฮโดรสแตติกนั้นเกี่ยวข้องเฉพาะแรงดันอย่างง่ายเท่านั้น แต่เมื่อพิจารณาของเหลวที่เคลื่อนที่ ปัญหาการวิเคราะห์ก็จะยากขึ้นมากทันที ไม่เพียงแต่ต้องคำนึงถึงขนาดและทิศทางของความเร็วของอนุภาคเท่านั้น แต่ยังมีอิทธิพลที่ซับซ้อนของความหนืดที่ก่อให้เกิดแรงเฉือนหรือแรงเสียดทานระหว่างอนุภาคของเหลวที่เคลื่อนที่และที่ขอบเขตที่กักเก็บ การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ที่เกิดขึ้นได้ระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ของตัวของเหลวทำให้แรงดันและแรงเฉือนเปลี่ยนแปลงอย่างมากจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งตามเงื่อนไขการไหล เนื่องจากความซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์การไหล การวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ที่แม่นยำจึงเป็นไปได้ในบางกรณีเท่านั้น และจากมุมมองทางวิศวกรรมแล้ว ค่อนข้างไม่สามารถทำได้จริง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องแก้ปัญหาการไหลโดยการทดลอง หรือโดยการตั้งสมมติฐานที่ง่ายขึ้นบางประการที่เพียงพอต่อการได้มาซึ่งคำตอบทางทฤษฎี แนวทางทั้งสองไม่ได้ขัดแย้งกัน เนื่องจากกฎพื้นฐานของกลศาสตร์ยังคงใช้ได้เสมอ และช่วยให้สามารถนำวิธีการเชิงทฤษฎีบางส่วนมาใช้ได้ในหลายกรณีสำคัญ นอกจากนี้ การตรวจสอบความคลาดเคลื่อนจากสภาวะที่แท้จริงอันเนื่องมาจากการวิเคราะห์แบบง่ายๆ ด้วยวิธีการทดลองก็มีความสำคัญเช่นกัน

ข้อสมมติฐานที่ง่ายที่สุดที่ใช้กันทั่วไปคือ การสมมติว่าของไหลเป็นของอุดมคติหรือสมบูรณ์แบบ จึงช่วยขจัดผลกระทบจากความหนืดที่ซับซ้อนออกไป นี่คือพื้นฐานของอุทกพลศาสตร์แบบคลาสสิก ซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของคณิตศาสตร์ประยุกต์ที่ได้รับความสนใจจากนักวิชาการที่มีชื่อเสียง เช่น สโตกส์ เรย์ลีห์ แรนไคน์ เคลวิน และแลมบ์ ทฤษฎีคลาสสิกมีข้อจำกัดที่สำคัญอยู่หลายประการ แต่เนื่องจากน้ำมีความหนืดค่อนข้างต่ำ จึงมีพฤติกรรมเหมือนของไหลจริงในหลายสถานการณ์ ด้วยเหตุนี้ อุทกพลศาสตร์แบบคลาสสิกจึงอาจถือได้ว่าเป็นพื้นฐานที่มีค่าที่สุดสำหรับการศึกษาลักษณะของการเคลื่อนที่ของของไหล บทนี้เกี่ยวข้องกับพลศาสตร์พื้นฐานของการเคลื่อนที่ของของไหล และทำหน้าที่เป็นบทนำพื้นฐานสำหรับบทต่อๆ ไปที่กล่าวถึงปัญหาเฉพาะเจาะจงมากขึ้นที่พบในวิศวกรรมไฮดรอลิกส์โยธา สมการพื้นฐานที่สำคัญสามสมการของการเคลื่อนที่ของของไหล ได้แก่ สมการความต่อเนื่อง สมการเบอร์นูลลี และสมการโมเมนตัม จะถูกหามาและอธิบายความสำคัญของสมการเหล่านั้น ต่อมา จะพิจารณาข้อจำกัดของทฤษฎีคลาสสิกและอธิบายพฤติกรรมของของไหลจริง โดยจะสมมติว่าของไหลเป็นของไหลที่อัดไม่ได้ตลอดทั้งบท

ประเภทของการไหล

การเคลื่อนที่ของของเหลวประเภทต่างๆ สามารถจำแนกได้ดังนี้:

1. การไหลแบบปั่นป่วนและการไหลแบบราบเรียบ

2. การหมุนและการไม่หมุน

3. มั่นคงและไม่มั่นคง

4. แบบเดียวกันและแบบไม่เหมือนกัน