Name: tracking fluid through space or mass
Uploaded: 2025-02-13T15:43:18.000Z
Duration: 1 min 16 s
Channel: JoVE

Ein Kontrollvolumen ist ein definierter Bereich im Raum, in dem Wechselwirkungen mit Masse, Energie oder Impuls analysiert werden.
Stellen Sie sich vor, Wasser fließt durch ein Rohr. Das Steuervolumen wäre ein Abschnitt des Rohrs, und die Steuerfläche wäre die Begrenzung dieses Abschnitts.
Wenn Wasser in dieses Kontrollvolumen ein- und austritt, werden Erhaltungsgesetze für Masse, Impuls und Energie verwendet, um die Strömung zu untersuchen, ohne einzelne Wasserpartikel zu verfolgen.
Das Regelvolumen bleibt fixiert, während sich die Flüssigkeit durch das Volumen bewegt, wodurch die Komplexität reduziert wird.
Im Gegensatz dazu bezieht sich ein System auf eine bestimmte Masse an Flüssigkeit, die im Laufe der Zeit verfolgt wird. Stellen Sie sich einen Wassertank vor, der eine feste Menge Wasser fasst.
Das Wasser im Tank repräsentiert das System. Wenn das Wasser abfließt oder sich füllt, wird dasselbe Wassersystem verfolgt, wobei der Schwerpunkt auf seinem Verhalten liegt und sich im Laufe der Zeit verändert.
Die Systemdarstellung ermöglicht die Analyse dieser festen Wassermasse, auch wenn sich der Zustand des Tanks ändert.
Während das System der spezifischen Fluidmasse folgt, bleibt der Ansatz des Regelvolumens stationär und konzentriert sich auf eine bestimmte Region des Raumes.

kontrollvolumen und systemdarstellungen

Zur Analyse der Übertragung von Masse, Energie und Impuls werden zwei wichtige Rahmen verwendet: der Kontrollvolumenansatz und der Systemansatz. Diese Rahmen bieten unterschiedliche Perspektiven, je nachdem, ob der Fokus auf einem bestimmten Raumbereich (Kontrollvolumenansatz) oder einer definierten Flüssigkeitsmasse (Systemansatz) liegt.

Der Kontrollvolumenansatz betrachtet einen stationären Raumbereich, durch den Flüssigkeit fließt. Dieser Bereich wird durch eine Kontrollfläche begrenzt. Wenn beispielsweise Wasser durch ein Rohr fließt, wäre das Kontrollvolumen ein fester Abschnitt des Rohrs und die Kontrollfläche die Grenze dieses Abschnitts. Dieser Rahmen vereinfacht die Analyse des Flüssigkeitsflusses, indem er Erhaltungssätze für Masse, Energie und Impuls über das Kontrollvolumen anwendet. Der Hauptvorteil besteht darin, dass er sich auf die makroskopischen Eigenschaften der Flüssigkeit konzentriert, ohne dass die Verfolgung einzelner Flüssigkeitspartikel erforderlich ist. Wenn Wasser in das Kontrollvolumen eintritt und es verlässt, werden die Änderungen seiner Fließeigenschaften an den Grenzen der Kontrollfläche bewertet, was ihn zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Untersuchung stationärer oder instationärer Fließbedingungen macht.

Der Systemansatz hingegen befasst sich mit einer festen Flüssigkeitsmasse, die im Laufe der Zeit verfolgt wird. Ein praktisches Beispiel hierfür ist Wasser in einem Tank. Das Wasser im Tank stellt ein System dar, und wenn es abläuft oder sich füllt, wird dieselbe Wassermasse analysiert. Das Verhalten des Systems wird untersucht, da äußere Kräfte und Energieübertragungen Veränderungen im Zustand der Flüssigkeit verursachen. Dieser Ansatz ist besonders nützlich bei der Analyse thermodynamischer Prozesse, bei denen die genaue Masse und ihr Energie- oder Impulsgehalt entscheidend sind, wie etwa bei Wärmeübertragungs- oder Phasenwechselszenarien in geschlossenen Systemen.

Während das Kontrollvolumen räumlich fixiert ist und sich auf den Austausch von Mengen über seine Oberfläche konzentriert, verfolgt der Systemansatz die Entwicklung einer bestimmten Flüssigkeitsmasse. Diese Methoden ergänzen sich und bieten Flexibilität in der Strömungsdynamik und thermodynamischen Analyse.

Kontrollvolumen und Systemdarstellungen

Ein Kontrollvolumen ist ein definierter Bereich im Raum, in dem Wechselwirkungen mit Masse, Energie oder Impuls analysiert werden.
Stellen Sie sich vor, Wasser fließt durch ein Rohr. ...

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Education

Lehre

JoVE Core

Civil Engineering

Bauingenieurwesen

Unit 1

Einheit 1

Fluid Kinematics

Strömungskinematik

KEY TERMS AND CONCEPTS

ZENTRALE BEGRIFFE UND KONZEPTE

Control Volume and System Representations

tracking fluid through space or mass

Fluid analysis often uses two linked ideas: the control volume approach and the system approach. Both help describe mass, energy, and momentum transfer, but they focus on different things. One follows a region in space. The other follows a fixed mass of fluid over time.

The control volume approach looks at a stationary area in space through which fluid moves. That area is bounded by a control surface, which is the outer edge of the region. A pipe with water flowing through it is a clear example. In that case, the control volume is a fixed section of the pipe.

This method makes it easier to apply conservation laws for mass, energy, and momentum. It does not require tracking each fluid particle. Instead, it studies how fluid enters and exits the control surface. This makes it useful for both steady flow and unsteady flow.

The system approach uses a different viewpoint. It tracks a specific mass of fluid as conditions change. Water in a tank is a good example. As the tank drains or fills, the same mass of water is treated as the system.

This approach is especially useful in thermodynamics. It helps when the exact mass and its energy or momentum content matter, such as in closed-system heat transfer or phase change. The system changes because external forces and energy transfers act on it.

Together, the control volume and system approaches give students flexible ways to study fluid dynamics and thermodynamics. One focuses on what crosses a boundary in space. The other focuses on how one mass of fluid changes over time.

Tracking Fluid Through Space or Mass

eulerian and lagrangian flow descriptions

eulerian-and-lagrangian-flow-descriptions

Tracking Fluid Motion in Space and Time

Fluid flow can be described with the Eulerian and Lagrangian methods. These two approaches give different views of the same moving fluid. They are useful in science and engineering because the best method depends on the problem being studied. The Eulerian method looks at fixed points in space. At each location, it measures fluid properties such as velocity, pressure, and temperature as the fluid moves past. This stationary view is useful when studying how a fluid interacts with a solid object.

introduction to types of flows

Flow Patterns by Direction and Time

Fluid flow can be grouped by direction and by how it changes over time. The simplest case is one-dimensional flow. In this type, properties such as velocity and pressure change along only one axis. Water moving through a straight pipe is a common example, because changes in other directions are very small. Two-dimensional flow changes in two directions. It varies in both length and height, so the analysis is more complex than one-dimensional flow. Air moving over a flat surface, such as a...

streamlines, streaklines, and pathlines

Tracing Fluid Motion: Three Flow Paths

Streamlines, streaklines, and pathlines are three ways to describe fluid motion. Each one shows flow from a different angle. Together, they help students compare how a fluid moves in steady and unsteady flow. A streamline is a line that stays tangent to the fluid’s velocity vector at each point. That means the fluid velocity points along the streamline. Streamlines give an instant picture of the flow field, so they are useful for showing the overall direction of flow in a fluid system. In...

control volume and system representations

Fluid analysis often uses two linked ideas: the control volume approach and the system approach. Both help describe mass, energy, and momentum transfer, but they focus on different things. One follows a region in space. The other follows a fixed mass of fluid over time. The control volume approach looks at a stationary area in space through which fluid moves. That area is bounded by a control surface, which is the outer edge of the region. A pipe with water flowing through it is a clear...

velocity and acceleration in steady and unsteady flow

velocity-and-acceleration-in-steady-and-unsteady-flow

How Flow Changes Affect Particle Motion

Velocity and acceleration help describe how a fluid particle moves in steady and unsteady flow. A fluid particle follows a pathline, and its velocity depends on both position and time. Acceleration is found by differentiating velocity with respect to time, so it shows how the particle’s motion changes. In a flow field, acceleration can be written using three perpendicular components. These components show how velocity changes over time in different spatial directions. This gives a general way...

reynolds transport theorem

Reynolds Transport and Control Volumes

Reynolds transport theorem links a fluid system to a control volume. It helps explain how the time rate of change of a property can be tracked in fluid dynamics. The theorem uses extensive properties, such as mass, velocity, acceleration, temperature, and momentum. These properties depend on the size of the system. Their intensive forms are the values per unit mass. The total amount of an extensive property in a system at any instant is the sum of the amounts carried by each tiny fluid...

design example: flow through a fire extinguisher

design-example-flow-through-a-fire-extinguisher

Fire Extinguisher Nozzle Flow and Pressure

A pressurized water fire extinguisher uses fluid dynamics to create a fast stream of water. The water is stored at a much higher pressure inside the extinguisher than the surrounding air. When the extinguisher is activated, that pressure difference forces water to flow out quickly. Bernoulli's equation helps predict the exit speed of the water. This equation links pressure and velocity. As pressure drops, velocity increases. In the extinguisher, the high internal pressure is converted into the...

key terms and concepts

Learn how the control volume and system approaches analyze mass, energy, and momentum in fluids, using examples like water in a pipe or tank.

Tracking Fluid Through Space or Mass | JoVE K12

JoVE Core Civil Engineering provides a foundational exploration of essential construction materials in civil engineering, focusing on bricks, stones, steel, wood, and concrete through easy-to-understand animated videos. This collection covers the properties, manufacturing processes, and practical applications of these materials. Additionally, the accompanied science-in-action videos demonstrate the research experiments performed in laboratories.

civil engineering

Tracking Fluid Through Space or Mass

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