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

Objętość kontrolna to zdefiniowany obszar w przestrzeni, w którym analizowane są interakcje obejmujące masę, energię lub pęd.
Weźmy pod uwagę wodę przepływającą przez rurę. Objętość kontrolna byłaby sekcją rury, a powierzchnia sterowa byłaby granicą tej sekcji.
Gdy woda wchodzi i wychodzi z tej objętości kontrolnej, prawa zachowania masy, pędu i energii są wykorzystywane do badania przepływu bez śledzenia poszczególnych cząstek wody.
Objętość kontrolna pozostaje stała, podczas gdy płyn przez nią przepływa, co zmniejsza złożoność.
W przeciwieństwie do tego, system odnosi się do określonej masy płynu, która jest śledzona w czasie. Weźmy pod uwagę zbiornik na wodę mieszczący stałą ilość wody.
Woda wewnątrz zbiornika reprezentuje system. Gdy woda spływa lub napełnia się, ten sam system wody jest śledzony, koncentrując się na jego zachowaniu i zmianach w czasie.
Reprezentacja systemu pozwala na analizę tej ustalonej masy wody, nawet gdy zmienia się stan zbiornika.
Podczas gdy system podąża za określoną masą płynu, podejście do objętości kontrolnej pozostaje nieruchome i skupia się na określonym obszarze przestrzeni.

reprezentacje układu i objętości kontrolnej

Do analizy transferu masy, energii i pędu wykorzystuje się dwa kluczowe podejścia: podejście objętości kontrolnej oraz podejście układowe. Oba oferują różne perspektywy, w zależności od tego, czy analizowany jest określony obszar w przestrzeni (podejście objętości kontrolnej), czy zdefiniowana masa płynu (podejście układowe)

Podejście objętości kontrolnej uwzględnia nieruchomy obszar w przestrzeni, przez który przepływa płyn. Obszar ten jest ograniczony powierzchnią kontrolną. Na przykład, w przypadku wody płynącej przez rurę, objętość kontrolna to stały odcinek rury, a powierzchnia kontrolna stanowi granicę tego odcinka. Podejście to upraszcza analizę przepływu płynu, stosując prawa zachowania masy, energii i pędu w obrębie objętości kontrolnej. Jego kluczową zaletą jest koncentracja na makroskopowych właściwościach płynu bez potrzeby śledzenia ruchu poszczególnych cząstek. Wpływając do objętości kontrolnej i wypływając z niej, woda podlega ocenie zmian charakterystyk przepływu na granicach powierzchni kontrolnej, co czyni to podejście skutecznym narzędziem do analizy warunków przepływu, zarówno ustalonych, jak i nieustalonych

Podejście układowe, w przeciwieństwie do podejścia objętości kontrolnej, dotyczy stałej masy płynu, która jest śledzona w czasie. Praktycznym przykładem jest woda w zbiorniku. Woda znajdująca się w zbiorniku reprezentuje układ, a podczas jego opróżniania lub napełniania analizowana jest ta sama masa wody. Zachowanie układu bada się, ponieważ siły zewnętrzne i przepływy energii powodują zmiany stanu płynu. Podejście to jest szczególnie użyteczne w analizie procesów termodynamicznych, gdzie kluczowe znaczenie ma dokładna masa oraz jej zawartość energii lub pędu, na przykład w przypadku wymiany ciepła lub przemiany fazowej w układzie zamkniętym

Podczas gdy objętość kontrolna jest ustalona w przestrzeni i koncentruje się na wymianie ilości przez jej powierzchnię, podejście układowe śledzi ewolucję określonej masy płynu. Te metodologie są komplementarne, oferując elastyczność w analizie dynamiki płynów i termodynamice

Reprezentacje układu i objętości kontrolnej

Objętość kontrolna to zdefiniowany obszar w przestrzeni, w którym analizowane są interakcje obejmujące masę, energię lub pęd.
Weźmy pod uwagę wodę przepływającą przez rurę. ...

control-volume-and-system-representations

Education

JoVE Core

Civil Engineering

Inżynieria lądowa

Unit 1

Jednostka 1

Fluid Kinematics

Kinematyka płynów

KEY TERMS AND CONCEPTS

KLUCZOWE TERMINY I POJĘCIA

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.

Tracking Fluid Through Space or Mass

Description

Transcript

Tags