Dynamika płynów: Co to jest ciśnienie statyczne?

Aby lepiej zrozumieć, czym jest ciśnienie statyczne, potrzebujemy najpierw trochę tła i wyjaśnienia innych terminów. Termin „ciśnienie” jest powszechnie używany w wielu zastosowaniach w dynamice płynów i termodynamice, od aerodynamiki do projektowania instalacji. Jednakże, musimy wywnioskować z kontekstu, czy mówimy o ciśnieniu statycznym, całkowitym czy dynamicznym.

Większość definicji wspomnianych tutaj została zaczerpnięta z książki Mechanics of Fluids autorstwa Merle C. Potter, David C. Wiggert, and Bassem H. Ramadan.

Rozważania na temat ciśnienia Ważne rozważania przed rozpoczęciem symulacji obliczeniowej inżynierii wiatrowej

W mechanice płynów, ciśnienie jest definiowane jako siła normalna działająca na obszar. Matematycznie, ciśnienie p na punkt jest zdefiniowane jako:

Jednostkami metrycznymi używanymi do mierzenia ciśnienia są niutony na metr kwadratowy (N/m²) lub, częściej, kilopaskale (kPa). Na przykład, ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza wynosi 101,3 kPa. Angielskie jednostki ciśnienia to funty na cal kwadratowy (psi) lub funty na stopę kwadratową (psf).

Symulacja ciśnienia powietrza Ciśnienie absolutne

Tak jak temperatura, ciśnienie może być mierzone w różnych skalach, a istnieją również skale absolutne dla obu właściwości. W idealnej próżni ciśnienie bezwzględne osiąga wartość zero. W ten sposób w przestrzeni nie ma cząsteczek, które mogłyby wywierać ciśnienie. Dlatego niemożliwe jest osiągnięcie ujemnego ciśnienia absolutnego.

Sprawy stają się o wiele bardziej skomplikowane, gdy rozważamy względne pomiary ciśnienia. Istnieje wiele zamieszania, jeśli chodzi o terminologię. Powszechne jest również to, że różne programy zalecają interpretację swoich pomiarów ciśnienia w różny sposób. Porozmawiamy o tym, jak to działa w SimScale za chwilę.

Symulacja ciśnienia powietrza Ciśnienie względne

Istnieje wiele różnych pomiarów ciśnienia względnego. Pierwszy i najczęstszy przykład jest nazywany ciśnieniem manometrycznym, które jest uzyskiwane podczas pomiaru ciśnienia względem ciśnienia atmosferycznego. Jest ono również powszechnie nazywane ciśnieniem barometrycznym. Wynika z tego, że konwersję z ciśnienia manometrycznego na ciśnienie bezwzględne uzyskuje się przez dodanie go do ciśnienia atmosferycznego.

Sprawdźmy teraz inne pomiary ciśnienia, które są stosowane w dziedzinie mechaniki płynów.

Ciśnienie powietrza Symulacja ciśnienia statycznego

Aby zilustrować czym jest ciśnienie całkowite, zacznijmy od sprawdzenia słynnego równania Bernoulliego:

które mierzy różnicę prędkości i ciśnienia pomiędzy dwoma punktami w przepływie.

Ciśnienie p w tym równaniu to ciśnienie statyczne. Przy pomiarze w stosunku do ciśnienia atmosferycznego, ciśnienie statyczne jest takie samo jak ciśnienie manometryczne. Jednakże, możliwe jest zmierzenie ciśnienia statycznego z próżnią jako odniesieniem, tak, że wartość mierzona równa jest ciśnieniu bezwzględnemu.

Ciśnienie statyczne jest mierzone, gdy płyn jest w spoczynku względem pomiaru. Może być mierzone przez piezometr przymocowany do ścianki rury, w której płynie płyn.

Symulacja ciśnienia powietrza Ciśnienie dynamiczne

Zauważmy, że mierząc wcześniej ciśnienie statyczne nie bierzemy pod uwagę efektów prędkości. Jeśli nie pominiemy tych efektów, nastąpi wzrost mierzonego ciśnienia. Wzrost ten nazywany jest ciśnieniem dynamicznym. Ciśnienie dynamiczne jest funkcją prędkości płynu i gęstości:

Symulacja ciśnienia powietrza Ciśnienie całkowite

Ciśnienie całkowite, zwane również ciśnieniem stagnacji, jest mierzone przez dodanie ciśnienia statycznego do ciśnienia dynamicznego:

Ciśnienie całkowite jest powszechnie mierzone za pomocą urządzenia zwanego rurką pitota. Możesz zobaczyć rurki pitota w samolotach, na przykład jako małe otwory lub metalowe rurki wiszące w skrzydłach, jak pokazano poniżej:

Prędkość wewnątrz rurki pitota wynosi zero, co czyni ją punktem stagnacji. Inne urządzenie, zwane rurką pitota, może być użyte do bezpośredniego pomiaru ciśnienia dynamicznego. W zasadzie składa się ono z rurki pitota z otworem na ciśnienie statyczne.

W większości codziennych przypadków ciśnienie całkowite jest bardzo bliskie ciśnieniu statycznemu. Dzieje się tak, ponieważ większość systemów jest zaprojektowana tak, aby zapewnić niskie prędkości płynu, na ogół w celu uniknięcia strat wysokości spowodowanych tarciem, które są proporcjonalne do energii kinetycznej płynu. W tych przypadkach rozróżnienie między ciśnieniem całkowitym a ciśnieniem statycznym może nie być istotne.

Ciśnienie statyczne w SimScale

Ciśnienie statyczne na wentylatorze odśrodkowym – analiza CFD przeprowadzona za pomocą SimScalePodstawowo, podczas symulacji przepływów płynów, używamy równań Naviera-Stokesa. Teraz, kiedy wyprowadzamy równania Naviera-Stokesa dla płynów nieściśliwych, termin ciśnienie ma tylko znaczenie matematyczne. Jedynie gradient ciśnienia, który jest odpowiedzialny za napędzanie płynu, ma znaczenie fizyczne. Innymi słowy, pomiary ciśnienia są wykorzystywane głównie do weryfikacji poprawności rozwiązania.

Postępując zgodnie z tą logiką, gdybyśmy zmienili stałe warunki brzegowe naszej symulacji, na przykład poprzez zsumowanie stałej wartości, wynikowy przepływ nie uległby zmianie, ponieważ gradient ciśnienia byłby wciąż taki sam.

Bardziej szczegółowo, dla przepływów nieściśliwych, SimScale używa ciśnienia właściwego, które jest zdefiniowane przez normalizację ciśnienia przez gęstość.

SimScale pozwala również na bogaty zestaw warunków brzegowych. Więcej informacji na temat ustawiania i używania warunków brzegowych na platformie symulacyjnej SimScale opartej na chmurze można znaleźć na tej stronie dokumentacji. Dla warunków brzegowych wlotu ciśnienia używane jest ciśnienie całkowite, a dla warunków brzegowych wylotu ciśnienia używane jest ciśnienie statyczne lub manometryczne. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o platformie opartej na chmurze SimScale i jej możliwościach, pobierz ten przegląd funkcji.

Aby dowiedzieć się więcej o symulacji ciśnienia powietrza, sprawdź ten blog.

Zapisz się & Sprawdź nasz blog SimScale, aby dowiedzieć się znacznie więcej!