Capitolo 3 Nozioni di base sul flusso III
3.2 Caratteristiche dei flussi
Questo capitolo introduce alcune delle caratteristiche importanti di un flusso. La differenza nelle caratteristiche del flusso può influenzare il modo in cui viene analizzato il flusso. Inoltre, conoscere le caratteristiche del flusso è molto importante quando si valuta la validità di un risultato ottenuto.
3.2.1 Fluidi comprimibili/incomprimibili
La compressione e l’espansione sono caratteristiche importanti di un fluido. Ricorda che un fluido può essere un liquido o un gas. Se la compressione e l’espansione hanno un effetto significativo sulla densità del fluido (kg/m3), il fluido viene chiamato fluido comprimibile. Si consideri un semplice esempio di un gas in una bombola come mostrato in Figura 3.10. Il cilindro è sigillato in modo che il gas non possa entrare o fuoriuscire. Il volume del fluido cambia mentre il pistone si muove. Tuttavia, la massa del sistema non cambia perché il gas non può entrare o uscire dal cilindro. Pertanto, la densità del fluido deve cambiare a causa della variazione di volume.
Figura 3.10: fluido Comprimibile
d’altra parte, quando la compressione e l’espansione non influenzano significativamente la densità del fluido, il fluido viene chiamato un fluido incomprimibile. Il volume di un fluido incomprimibile non cambia e la sua densità viene trattata come una costante. Considera un liquido in un cilindro. Se il cilindro è sigillato, il pistone smetterà di muoversi una volta che entra in contatto con il liquido. Quando il pistone si ritrae, viene creato uno spazio vuoto sopra la superficie del liquido. La quantità di spazio (volume) che il liquido occupa non cambia (in realtà il volume cambia ma il cambiamento è molto piccolo). Poiché la quantità di liquido è quasi invariata, la densità del fluido (kg/m3) è costante. I liquidi sono sempre considerati fluidi incomprimibili, poiché i cambiamenti di densità causati dalla pressione e dalla temperatura sono piccoli.
Mentre intuitivamente i gas possono sempre sembrare fluidi incomprimibili se il gas è permesso di muoversi, un gas può essere trattato come incomprimibile se il suo cambiamento di densità è piccolo. Considerare il cilindro riempito con un gas come mostrato in Figura 3.11. Le porte vengono aggiunte al cilindro che consente al gas di entrare o uscire dal cilindro. Mentre il pistone spinge verso il basso, il gas fuoriesce dalla porta perché il volume del cilindro diminuisce. Anche la quantità di massa del gas diminuisce proporzionalmente e la densità del gas (kg/m3) nel cilindro è invariata. Quando il pistone si ritrae, il volume del sistema aumenta, il gas (massa) entra attraverso la porta e la densità del gas (kg/m3) rimane nuovamente essenzialmente costante. In questa situazione, il gas si comporta come un fluido incomprimibile. In senso stretto, non esiste un fluido completamente incomprimibile. Tuttavia, quando la densità cambia a causa della pressione (il movimento del pistone applica pressione al fluido nel cilindro) o la temperatura è piccola, approssimare un fluido come fluido incomprimibile può semplificare notevolmente i calcoli.
Figura 3.11: Fluido incomprimibile
Una misura del grado di comprimibilità di un gas è il numero di Mach M del flusso. Il numero di Mach è il rapporto tra la velocità del fluido e la velocità del suono. Quando M < ca. 0.3, un fluido può essere trattato come incomprimibile. Per una temperatura dell’aria di 20°C, la velocità del suono è di circa 340 m/s. Pertanto, se la velocità del fluido è di 100 m/s o superiore, la compressibilità dovrebbe essere considerata nei calcoli. Per velocità del fluido inferiori a 100 m / s, il fluido può essere considerato incomprimibile. Inoltre, se la temperatura del fluido cambia in modo significativo (questo è diverso dal fluido che si trova a una temperatura costante alta o bassa), anche la densità del fluido cambierà sostanzialmente durante l’espansione o la compressione del volume. In questo caso, il fluido può anche essere trattato come un fluido comprimibile.
Circa l’autore
Atsushi Ueyama / Nato nel settembre 1983, Hyogo, Giappone
Ha un dottore di Filosofia in ingegneria dall’università di Osaka. La sua ricerca di dottorato si è concentrata sul metodo numerico per il problema dell’interazione fluido-solido. È consulente tecnico presso Software Cradle e fornisce supporto tecnico ai clienti Cradle. È anche docente attivo in seminari e corsi di formazione Cradle.