Vloeistofdynamica: Wat is statische druk?

Om beter te begrijpen wat statische druk is, hebben we eerst wat achtergrondinformatie en uitleg over andere termen nodig. De term “druk” wordt veel gebruikt voor vele toepassingen binnen de vloeistofdynamica en thermodynamica, variërend van aerodynamica tot fabrieksontwerp. We moeten echter uit de context afleiden of men het heeft over statische, totale of dynamische druk.

De meeste van de hier genoemde definities zijn afkomstig uit het boek Mechanics of Fluids van Merle C. Potter, David C. Wiggert, en Bassem H. Ramadan.

Pressure Considerations Important Considerations Before Starting a Computational Wind Engineering Simulation

In de vloeistofmechanica wordt druk gedefinieerd als een normaalkracht die op een oppervlak werkt. Wiskundig wordt de druk p op een punt gedefinieerd als:

De metrische eenheden die worden gebruikt om de druk te meten zijn newton per vierkante meter (N/m²) of, gebruikelijker, kilopascal (kPa). De atmosferische druk op zeeniveau is bijvoorbeeld 101,3 kPa. De Engelse eenheden voor druk zijn pounds per square inch (psi) of pounds per square foot (psf).

Luchtdruk Simulatie Absolute druk

Net als temperatuur kan druk worden gemeten met verschillende schalen, en er zijn ook absolute schalen voor beide eigenschappen. In een ideaal vacuüm is de absolute druk nul. Er zijn dan geen moleculen in de ruimte om druk uit te oefenen. Daarom is het onmogelijk om een negatieve absolute druk te bereiken.

De zaken worden veel ingewikkelder wanneer we relatieve metingen van druk beschouwen. Er is veel verwarring als het om de terminologie gaat. Het is ook gebruikelijk dat verschillende softwareprogramma’s de interpretatie van hun drukmetingen op tegenstrijdige manieren aanbevelen. We zullen het zo meteen hebben over hoe dat werkt met SimScale.

Luchtdruk Simulatie Relatieve Druk

Er zijn veel verschillende relatieve drukmetingen. Het eerste en meest voorkomende voorbeeld wordt overdruk genoemd, die wordt verkregen bij het meten van drukken ten opzichte van de atmosferische druk. Het wordt ook vaak barometerdruk genoemd. Hieruit volgt dat een omrekening van overdruk naar absolute druk wordt verkregen door deze op te tellen bij de atmosferische druk.

Laten we nu eens kijken naar andere drukmetingen die worden gebruikt binnen het vakgebied van de vloeistofmechanica.

Luchtdruk Simulatie Statische druk

Om te illustreren wat totale druk is, laten we beginnen met de beroemde vergelijking van Bernoulli:

die het verschil in snelheid en druk meet tussen twee punten in een stroming.

De druk p in deze vergelijking is de statische druk. Wanneer gemeten ten opzichte van de atmosferische druk, is de statische druk gelijk aan de overdruk. Het is echter mogelijk de statische druk te meten met een vacuüm als referentie, zodat de gemeten waarde gelijk is aan de absolute druk.

De statische druk wordt gemeten wanneer de vloeistof in rust is ten opzichte van de meting. Zij kan worden gemeten met een piëzometer die is bevestigd aan de wand van de pijp waarin de vloeistof stroomt.

Simulatie van luchtdruk Dynamische druk

Merk op dat we bij het meten van de statische druk voorheen geen rekening houden met de snelheidseffecten. Als we deze effecten niet verwaarlozen, zal er een verhoging van de gemeten druk zijn. Deze toename wordt de dynamische druk genoemd. De dynamische druk is een functie van de vloeistofsnelheid en de dichtheid:

Luchtdruksimulatie Totale druk

De totale druk, ook wel stagnatiedruk genoemd, wordt gemeten door de statische druk bij de dynamische druk op te tellen:

De totale druk wordt meestal gemeten met een apparaat dat pitotbuis wordt genoemd. Je ziet pitotbuizen bijvoorbeeld op vliegtuigen, als kleine gaatjes of metalen buizen die in de vleugels hangen, zoals hieronder te zien is:

De snelheid binnenin de pitotbuis is nul, waardoor het een stagnatiepunt is. Een ander apparaat, een pitotbuis genoemd, kan worden gebruikt om de dynamische druk rechtstreeks te meten. Het bestaat in feite uit een pitotbuis met een statische drukopening.

Voor de meeste alledaagse gevallen ligt de totale druk heel dicht bij de statische druk. Dit komt omdat de meeste systemen zo zijn ontworpen dat de vloeistofsnelheden laag zijn, in het algemeen om drukverlies door wrijving te voorkomen, die evenredig is met de kinetische energie van de vloeistof. In deze gevallen is het onderscheid tussen totale druk en statische druk wellicht niet relevant.

Statische druk in SimScale

Statische druk op een Centrifugaal Ventilator – CFD Analyse Uitgevoerd met SimScaleBasically, when simulating fluid flows, we are using the Navier-Stokes equations. Wanneer we de Navier-Stokes vergelijkingen afleiden voor onsamendrukbare vloeistoffen, heeft de drukterm alleen een wiskundige betekenis. Alleen de drukgradiënt, die verantwoordelijk is voor de stuwing van de vloeistof, heeft een fysische betekenis. Met andere woorden, de drukmetingen worden vooral gebruikt voor de controle van de deugdelijkheid van de oplossing.

Volgens deze logica zou, als we de vaste drukrandvoorwaarden van onze simulatie zouden veranderen door bijvoorbeeld een constante waarde bij elkaar op te tellen, de resulterende stroming niet worden veranderd omdat de drukgradiënt nog steeds dezelfde zou zijn.

Meer specifiek, voor incompressibele stromingen, gebruikt SimScale de specifieke druk, die wordt gedefinieerd door de druk te normaliseren door de dichtheid.

SimScale maakt ook een uitgebreide set van randvoorwaarden mogelijk. Voor meer informatie over het instellen en gebruiken van randvoorwaarden op het SimScale cloud-gebaseerde simulatie platform, kunt u deze pagina van de documentatie raadplegen. Voor randvoorwaarden bij drukinlaat wordt de totale druk gebruikt, terwijl voor drukuitlaat de statische of overdruk wordt gebruikt. Als u meer wilt weten over het SimScale cloud-gebaseerde platform en de mogelijkheden, download dan dit functie-overzicht.

Om meer te weten te komen over luchtdruksimulatie, bekijk dan deze blog.

Ontdek & onze SimScale blog voor nog veel meer!