Przepływ przez objętość kontrolną

Twierdzenie transportu Reynoldsa – jedno z kluczowych twierdzeń w dynamice płynów. Umożliwia sformułowanie podstawowych praw wykorzystywanych w dynamice płynów - równania zachowania masy, drugiej zasady dynamiki Newtona oraz praw termodynamiki.

Sens twierdzenia transportu Reynoldsa można wyjaśnić zakładając układ w skład którego wchodzi objętość kontrolna CV (patrz rysunek obok) oraz powierzchnia kontrolną CS, przez którą przepływa płyn. Twierdzenie Reynoldsa stwierdza, że:

Szybkość zmian ekstensywnej wartości B w układzie jest równa szybkości zmian ilości tej wartości w objętości kontrolnej oraz zmianie szybkości przepływu tej wartości przez powierzchnię kontrolną

Przykładem wartości ekstensywnej występującej w równaniu może być masa. Prawo zachowania masy stwierdza, że szybkość przyrostu (bądź spadku) masy jest równa akumulacji masy w objętości kontrolnej oraz różnicy prędkość przepływu przez powierzchnię kontrolną.

Twierdzenie to można zapisać matematycznie w postaci równania:

lub

gdzie:

Postać różniczkowa tego równania z dodatkowymi założeniami nosi nazwę równania Naviera-Stokesa.

Zastosowanie w inżynierii

Stała objętość kontrolna

Ponieważ twierdzenie Reynoldsa odgrywa kluczową rolę w dynamice płynów, znajduje szerokie zastosowanie w inżynierii chemicznej oraz innych gałęziach inżynierii, w których spotkać można zagadnienia związane z przepływami płynów. Jeżeli przyjmie się pewne założenia równanie można przekształcać i upraszczać do postaci, które można łatwo wykorzystać.

Przykładem może być bilans masy. Za wartość ekstensywną przyjmijmy masę (B = m):


Otrzymujemy:


zakładając przepływ ustalony (dm/dt = 0) otrzymujemy:



jeżeli założymy, że gęstość jest stała (/) równanie przybierze postać:

zakładamy przepływ jest jednokierunkowy:

co można zapisać:

lub

gdzie przepływ masowy wyrażony w jednostce masy na jednostkę czasu.

Dla przypadku przedstawionego na rysunku obok równanie to przybierze prostą postać:

Jeżeli

(równanie ciągłości strugi)

Zachowanie masy

Przyjmując za wartość ekstensywną masę równanie przybiera postać:

Zachowanie energii

Jeżeli za wartość ekstensywną przyjmiemy energię to równanie przyjmie postać:

Jeżeli uwzględnimy wszystkie rodzaje energii (kinetyczną, wewnętrzną, potencjalną i inne) i podstawimy te wyrażenia za e otrzymamy postać równania:

gdzie Q to ilość ciepła oddana do układu, W natomiast to praca wykonana przez układ.

Zachowanie pędu

W przypadku gdy za wartość ekstensywną przyjmiemy pęd wartość b (intensywna) staje się prędkością, natomiast lewa strona równania (zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona) przyjmuje wartość siły. Równanie można zapisać jako:


W tym artykule użyto materiału z artykułu Wikipedii Twierdzenie transportu Reynoldsa, który jest wydawany w ramach Creative Commons Attribution-Share-Alike License 3.0.