¿Por qué es esta la tasa de flujo de volumen por unidad de área?

En mecánica de fluidos consideramos un fluido que llena una región D R 3 junto con una función ρ : D × R R llamada densidad de masa tal que para cualquier 3 subvariedad dimensional W D la masa total de fluido en W es

metro ( W , t ) = W ρ ( X , t )   d V

Eso está bien, también tenemos tu el campo de velocidad espacial del fluido, es decir tu ( a , t ) es la velocidad de la partícula de fluido en el punto a y tiempo t . Suponer W es el límite de W y eso norte es la unidad normal, entonces

tu norte es el "caudal volumétrico por unidad de área" y ρ tu norte es el "caudal másico por unidad de área"

Ahora simplemente no puedo entender por qué. Parece que durante muchos años la gente dice eso para cualquier campo vectorial V y cualquier superficie con normal norte el producto escalar de estos es el flujo del campo por unidad de área. Esto ya es difícil de tragar, y nunca lo entendí realmente. ¿Cómo entendemos esto en el contexto de la mecánica de fluidos?

Respuestas (2)

Se puede demostrar a través de un análisis dimensional simple. Lo sabemos [ tu ] = metro / s , así que solo multiplique por 1 en términos de un área:

[ tu ] = metro s metro 2 metro 2 = metro 3 metro 2 s = 1 metro 2 metro 3 s
El término azul es la tasa de flujo volumétrico , mientras que el término rojo es el área, por lo que tenemos una tasa de flujo volumétrico por unidad de área. Multiplicando esta tasa de flujo volumétrico por la densidad de masa da una unidad final de
[ ρ tu ] = 1 metro 2 k gramo s
que es el caudal másico (la cantidad en masa que fluye a través de la superficie).

Dado que los flujos son generalmente tridimensionales, estamos interesados ​​en cuánto fluido (ya sea en términos de volumen o masa) pasa a través de una superficie (área) arbitraria en alguna unidad de tiempo.

Podría expresar el caudal como una velocidad. Pero si desea tener una medida rápida de cuánto material fluye a través de (por ejemplo) una tubería, necesita saber tanto la velocidad como el área: un diagrama rápido le muestra que velocidad x área = volumen que pasa a través del área por unidad de tiempo

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Así que si

v A = V o yo / t i metro mi

Entonces se sigue que

v = V o yo / t i metro mi A

y esas son las unidades que ves...