Ροή των ρευστών

Στην Κινηματική και τη Δυναμική με τον όρο ροή των ρευστών καλείται ειδικότερα η κίνηση των σωματιδίων των ρευστών, επειδή ακριβώς αυτά ρέουν, η οποία όμως κίνηση περιλαμβάνει επίσης τις έννοιες της δύναμης που προκαλεί την κίνηση, της ταχύτητας καθώς και της επιτάχυνσης του ρευστού. Στους επιμέρους κλάδους της Δυναμικής (Υδροδυναμική και Αεροδυναμική) αντί του όρου "κίνηση" χρησιμοποιείται ο όρος "ροή". Οι δύο αυτοί κλάδοι είναι υποκλάδοι του γενικότερου πεδίου της Ρευστοδυναμικής η οποία είναι γενικότερα υποκλάδος της επιστήμης της Ρευστομηχανικής.

 Η κίνηση ενός ρευστού προκαλείται από διατμητικές τάσεις καθώς και από μη ισοζυγισμένες κάθετες τάσεις (πιέσεις) που ασκούνται στο ρευστό. Η ανάλυση των δυνάμεων αυτών αποτελεί το αντικείμενο μελέτης και έρευνας της "δυναμικής των ρευστών", ενώ η σπουδή των αποτελεσμάτων της εφαρμογής των δυνάμεων αυτών που παράγουν τη κίνηση, δηλαδή την ταχύτητα και την επιτάχυνση, με την αντίστοιχη περιγραφή και απεικόνιση της κίνησης, αποτελούν αντικείμενα μελέτης της "κινηματικής των ρευστών". Η μελέτη της ροής των ρευστών επιτελείται με τους ακόλουθους τρεις βασικούς τρόπους: την "μακροσκοπική", την "διαφορική", και την "διαστατική ανάλυση". Στη μακροσκοπική ανάλυση εξετάζεται ο όγκος ελέγχου ρευστού. Ως όγκος ελέγχου ορίζεται μια περιοχή του χώρου με πεπερασμένες διαστάσεις εντός της οποίας συμβαίνει ροή μάζας ρευστού. Επειδή όμως αυτή η μάζα κινούμενη αποτελεί φορέα ορμής (ενέργειας), θεωρείται ότι ο όγκος ελέγχου ανταλλάσσει ενέργεια με τον περιβάλλοντα χώρο. Έχοντας λοιπόν υπόψη τις αρχές διατήρησης της μάζας, της ορμής και της ενέργειας στον όγκο ελέγχου του ρευστού, προκύπτουν οι ολοκληρωμένες ή μακροσκοπικές εξισώσεις συνέχειας ορμής και ενέργειας αντίστοιχα. Έτσι λύνοντας τις εξισώσεις αυτές καθίσταται δυνατός ο υπολογισμός των μέσων τιμών των διαφόρων παραμέτρων του ρευστού όπως είναι π.χ. η μέση ταχύτητα ροής του, η πτώση πίεσης κ.λπ. Στη Διαφορική ανάλυση εξετάζεται μεν ο όγκος ελέγχου ρευστού, όπως παραπάνω πλην όμως σε απειροστές διαστάσεις όπου και εφαρμόζονται ομοίως οι αρχές διατήρησης της μάζας, της ορμής και της ενέργειας. Έτσι ομοίως με την εφαρμογή τους προκύπτουν οι διαφορικές εξισώσεις της συνέχειας αυτών, η επίλυση των οποίων με τη χρήση οριακών αρχικών συνθηκών παρέχουν ακριβείς τιμές, ή και κατανομές των ιδιοτήτων των ρευστών, όπως π.χ. η ταχύτητα, η πίεση, η διατμητική τάση κ.λπ. Εξ αυτών καθίσταται δυνατός ακόμη και ο υπολογισμός των μέγιστων τιμών αυτών των μεγεθών. Η Διαστατική ανάλυση εφαρμόζεται στις περιπτώσεις εκείνες της ροής των ρευστών που δεν επιδέχονται ακριβή θεωρητική λύση, ή η μαθηματική επίλυσή τους δεν είναι δυνατή. Έτσι στις περιπτώσεις αυτές ακολουθείται η πειραματική μελέτη αυτών όπου και εφαρμόζεται η διαστατική ανάλυση κατά την οποία το πλήθος των διαφόρων μεγεθών συγκροτούν, προς ευκολία συσχέτισής τους, περιορισμένο αριθμό αδιάστατων ομάδων. Για τη πληρέστερη μελέτη και ανάλυση της ροής των ρευστών, από τα τέλη του 18ου αιώνα, προτάθηκε η διάκριση της ροής των ρευστών στις τρεις ακόλουθες κατηγορίες - πρότυπα, αντίστοιχα με τη διάκρισή των ίδιων των ρευστών: στη ροή των τέλειων ή ιδανικών ή ιδεωδών ρευστών, τη ροή των φυσικών, ή νευτώνειων ρευστών και τη ροή των μη νευτώνειων, ή θιξότροπων ρευστών. Γενικά η ροή των ρευστών μέσα σε αγωγούς ή σωλήνες παρουσιάζει δύο τύπους-μορφές ροής. Έτσι αυτή μπορεί να είναι: είτε ομαλή, ή στρωτή, ή παράλληλη ροή, είτε στροβιλώδης ή τυρβώδης ροή. Στη ροή των τέλειων, ή ιδανικών, ή ιδεωδών υγρών εφαρμόζονται δύο βασικοί Νόμοι της Υδροδυναμικής: Ο Νόμος της συνεχείας της ροής και Ο Νόμος του Μπερνούλι.Συναφές επίσης είναι και το Θεώρημα του Torricelli. Η ροή των φυσικών υγρών είναι διάφορη από εκείνη των ιδεωδών και τούτο διότι επηρεάζονται από τα τρία χαρακτηριστικά των φυσικών υγρών, δηλαδή το συμπιεστόν τους, την συνοχή των μορίων τους και την συνάφεια αυτών προς τα τοιχώματα των αγωγών. Το συμπιεστόν εν τούτοις ελάχιστα επηρεάζει τη ροή, δεδομένου ότι τα υγρά θεωρούνται πρακτικά ασυμπίεστα σε αντίθεση με τα αέρια όπου η συμπιεστότητα είναι μεγαλύτερη. Η συνοχή όμως των μορίων του φυσικού υγρού έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία εσωτερικής τριβής μεταξύ αυτών, η οποία χαρακτηρίζεται από τον λεγόμενο συντελεστή συνεκτικότητας ή συντελεστή εσωτερικής τριβής ή συντελεστή ιξώδους. Η συνάφεια, τέλος, προέρχεται από τη δύναμη επαφής μεταξύ του υγρού και των τοιχωμάτων του αγωγού. Αυτή εκδηλώνεται κατά τέτοιο τρόπον ώστε τα μόρια του υγρού που βρίσκονται σ΄ επαφή με τα τοιχώματα να παρουσιάζουν μηδενική ταχύτητα, σε αντίθεση μ΄ εκείνα που βρίσκονται στο κέντρο του αγωγού και παρουσιάζουν τη μέγιστη ταχύτητα. Ονομάζεται η ροή που μπορεί να περιγραφτεί με την παραδοχή ότι το ρευστό αποτελείται από πολλά λεπτά στρώματα που ολισθαίνουν το ένα πάνω στο άλλο. Κατά την ομαλή ροή ή στρωτή ροή ή παράλληλη ροή η μόνιμη ροή το ρευστό ρέει σε παράλληλες προς τον άξονα του αγωγού γραμμές δίνοντας έτσι την εικόνα της ομαλής ή στρωτής ροής επιπλέον όλα τα σωματίδια που διέρχονται από ένα σημείο έχουν την ίδια ταχύτητα. Συνήθης εικόνα παράλληλης ροής είναι εκείνη του νερού από τις βρύσες. Κατά τη στροβιλώδη ροή, ή στροβιλοειδή ροή, ή τυρβώδη ροή οι γραμμές ροής του ρευστού λαμβάνουν μορφή ακανόνιστων καμπυλών οι οποίες τέμνουν συνεχώς αλλήλους, δίνοντας έτσι την εικόνα ροής με στροβιλισμούς. Εικόνες τυρβώδους ροής μας παρέχουν οι ποταμοί όταν παρουσιάζουν στροβίλους που μπορεί να οφείλονται σε υποκείμενα ρεύματα, σε τριβές σε βραχώδεις όχθες ή σε πετρώματα του βυθού ή σε απότομη στένωση του πλάτους τους. Τυρβώδη ροή επίσης είναι δυνατόν να προκαλέσουν και πλοία ή λέμβοι που κινούνται ενάντια στο ρεύμα του ποταμού καθώς επίσης και οι αεροστρόβιλοι που μπορεί να επηρεάσουν την άντωση του αεροπλάνου με συνέπεια να προκληθούν τρανταγμοί του σκάφους. Πεδίο ροής