Samfelldni vökvaflæðis

Samfelldnijafnan er varðveisla massa fyrir vökva eða gas á hreyfingu. Hún tengir flatarmál, hraða og eðlismassa án þess að vera sjálf orkureikningur.

Rúmmálsflæði og massaflæði

Rúmmálsflæði um þversnið er Q = Av þegar v er viðeigandi meðalhraði yfir flatarmálið A. Einingin er m³ s⁻¹. Massaflæði er ṁ = ρAv í kg s⁻¹. Í þjappanlegu gasi getur ρ breyst þótt massaflæðið haldist.

Samfelldni er varðveisla massa

A₁, v₁A₂, v₂A₁v₁ = A₂v₂
Þegar þversnið minnkar í stöðugu óþjappanlegu flæði eykst meðalhraðinn þannig að Av helst fast.

Fyrir stöðugt flæði með einu inn- og útstreymi gildir ρ₁A₁v₁ = ρ₂A₂v₂. Fyrir nánast óþjappanlegan vökva fellur eðlismassinn út og A₁v₁ = A₂v₂ = Q.

Reiknidæmi: stútur

Vatn fer úr pípu með 3,0 cm þvermál í stút með 1,0 cm þvermál. Flatarmálshlutfallið er 3²/1² = 9. Ef v₁ = 1,5 m s⁻¹ verður v₂ = 13,5 m s⁻¹. Sama rúmmál á sekúndu þarf að komast um minna þversnið.

Greinar og uppsöfnun

Stöðug óþjappanleg grein

Í tengipunkti án uppsöfnunar gildir Qinn = Q₁ + Q₂ + …. Sama varðveisluregla nær því yfir margar greinar.

Almenn massajöfnu

Ef massi getur safnast í stjórnrúmmáli er ṁinn − ṁút = dMinni/dt. Stöðugt ástand setur hægri hlið núll; það þýðir ekki að vökvinn sé kyrr.

Staðbundna formið

Í samfelldu sviði er massavarðveisla ∂ρ/∂t + ∇·(ρu) = 0. Fyrir fastan eðlismassa fæst ∇·u = 0. Þetta er sama hugmynd beitt á hvert smátt rúmmál.

Samfelldni er ekki Bernoulli

Samfelldnijafnan

Samfelldni kemur frá massavarðveislu og segir hvernig flæði um mismunandi þversnið tengist. Hún gefur ekki ein og sér þrýsting eða orku.

Bernoulli-jafnan

Bernoulli tengir þrýsting, hraða og hæð með viðbótarforsendum, til dæmis stöðugu og núningslausu flæði eftir straumlínu. Oft þarf báðar jöfnur en þær tákna ólíka varðveislu.

Tilraun og takmörk líkans

Mældu rúmmál á þekktum tíma og berðu Q = ΔV/Δt saman við Av. Raunverulegur hraði er ekki eins yfir þversnið, þannig að v er meðalhraði. Þjöppun, leki og tímabreyting kalla á almennara form.

Æfingar

Þrenging pípu

Óþjappanlegur vökvi fer úr 6,0 cm² við 2,0 m s⁻¹ í 2,0 cm². Finndu v₂.

Lausn

v₂ = (6,0/2,0) × 2,0 = 6,0 m s⁻¹.

Greinipunktur

12 L s⁻¹ koma inn; 4 L s⁻¹ fara út um eina grein. Hvað fer um hina?

Lausn

Q₂ = 8 L s⁻¹.

Þjappanlegt flæði

Hvaða stærð verður sú sama í tveimur sniðum fyrir stöðugt einvítt þjappanlegt flæði?

Lausn

Massaflæðið ρAv, ekki endilega Av, því ρ getur breyst.

Samfelldnijafnan segir ekki ein og sér hvaða þrýstingur fylgir þrengingu. Hún segir hvaða hraðabreyting massavarðveisla krefst. Þrýsting þarf að finna með kraftfræði, orkujöfnu eða jaðarskilyrðum.

Í púlsandi flæði geta inn- og útstreymi verið ólík á hverju augnabliki. Stjórnrúmmálsformið sýnir þá beint að mismunurinn verður að birtast sem breyting á massa inni í svæðinu.

Við hönnun mælinga þarf einnig að gæta að því hvað A og v tákna. Fyrir ójafnt hraðasnið er v meðaltal yfir þversniðið, þannig að margfeldið Av gefur rétta heildarstreymið þótt einstakir vökvahlutar hafi aðra staðbundna hraða.

Skoðaðu tengslin: Öll námskeið · Frumefni