Wird das Wasser in die bewegliche Wasserflasche gelangen?

Die Öffnung sieht Wasser mit Stagnationsdruck . Wasser fließt ein, bis die Luft in der Flasche auf diesen Druck zusammengedrückt ist.

Ich schätze Ihr Denken und Ihre Frage.

Diese Frage wird noch herausfordernder, wenn das Arbeitsmedium Luft anstelle von Wasser ist und sich Flüssigkeit bewegt. In dieser Antwort gehe ich davon aus, dass sich die Flasche bewegt und sich die Flüssigkeit in die entgegengesetzte Richtung der Flasche bewegt. (weil stationäre Flüssigkeit ein Unterfall von sich bewegender Flüssigkeit ist, wo$v_1$=0)

Nehmen wir an, die Flasche ist leer und bewegt sich aufgrund der relativen Bewegung zwischen Flasche und Flüssigkeit von einer Geschwindigkeit von Null auf eine konstante Geschwindigkeit (hier betrachte ich Luft, da die Kompressibilität von Luft größer ist als die von Wasser, Flüssigkeit tritt mit der Masse in die Flasche ein Fließrate

$\rho, A_{c}$Und$v_1$sind die Dichte des Fluids, die Querschnittsfläche senkrecht zum Strömungswinkel und die relative Geschwindigkeit des externen Fluids bzw. der Flasche. Wenn es eine Kontraktion gibt, sollten wir die Kontinuitätsgleichung verwenden

$\rho_{1} A_1 v_1=\rho_{2} A_2 v_2$

Hier$_2$ist Eigenschaften nach divergierendem Abschnitt und$_1$ist Freidampfeigenschaften.

Dies gilt, bis der Fluss das andere Ende der Flasche berührt. Danach gilt diese Kontinuitätsgleichung nicht mehr, da außerhalb der Flasche kein Massedurchfluss vorhanden ist. Dann kann die Geschwindigkeit in der Flasche aus der Bernoulli-Gleichung berechnet werden. Bitte beachten Sie, dass bis ich mich in einem inkompressiblen Strömungsbereich befinde und diese Geschwindigkeit berechnet wird aus:

$v_2= \sqrt[]{\frac{2*(p_1-p_2)}{\rho_1}}+v_1$

Wenn die Flüssigkeit auf das Ende der Flasche trifft, tritt ein "Hammereffekt" (ähnlich dem "Wasserschlageffekt") auf, und ein Stoß bewegt sich mit etwa Schallgeschwindigkeit im inkompressiblen Bereich vom Ende der Flasche zum Deckel der Flasche mehr als das im komprimierbaren Bereich. Dieser Stoß erhöht den Druck der Flüssigkeit in der Flasche und reduziert die vorherige Einströmgeschwindigkeit, die aus der Kontinuität berechnet wird. Dieser Schock macht auch die Geschwindigkeit des Fluids hinter dem Schock zu Null. Bitte beachten Sie den folgenden Link, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie die Fließeigenschaften bei bewegtem Stoß berechnet werden. Dies ist ein dynamischer Prozess, dieser Schock teilt der stromaufwärts gelegenen Flüssigkeit die Information mit, dass "es eine Wand gibt, damit wir uns nicht bewegen können". Nachdem der Druck in der Flasche überall den Stagnationsdruck erreicht hat (die Strömung wird quasi stationär), wirkt die Flüssigkeitsschicht am Flaschendeckel wie eine feste Wand und lässt keine weiteren neuen Flüssigkeitselemente in die Flasche gelangen.

Wird die Flüssigkeit in der Flasche auslaufen?

• Wir denken vielleicht, dass die Stagnation des Drucks größer ist als der äußere Druck, so dass Flüssigkeit austreten kann, aber die Wahrscheinlichkeit ist geringer, weil. Die nächste Schicht außerhalb des Flüssigkeitsdeckels stagniert aufgrund der festen Natur der Flüssigkeitsschicht im Deckel (bereits erwähnt), so dass ein Auslaufen unmöglich ist, es sei denn, es findet ein komplexer Prozess statt.

• Dieser reflektierte Stoß vom Flaschenende wird von einem normalen Stoß vor der Flasche abfallen und die Geschwindigkeit des in die Flasche eintretenden Fluids verringern. Aufgrund dieses reflektierten Stoßes bildet eine faktische Schicht der unbeweglichen Flüssigkeitsschicht (wrt-Flasche), die die Flasche bedeckt, wo der Druck kleiner oder gleich dem Stagnationsdruck der externen Flüssigkeit ist, sodass Flüssigkeit in der Flasche nicht austreten kann.

• Wenn sich stromaufwärts der Flasche ein Druckstoß bildet, verringert dies den Stagnationsdruck stromabwärts und macht es der Flüssigkeit in der Flasche schwer, nach außen zu gelangen.

• Flüssigkeit kann aufgrund des Trägheitseffekts austreten, wenn die Geschwindigkeit der sich bewegenden Flasche abnimmt, aber dies geschieht nur, wenn die Trägheitskraft größer als die Druckkraft ist.

• Es wird nach draußen gehen, wenn sein Stagnationsdruck höher ist als der externe Stagnationsdruck. Dies ist nicht möglich, es sei denn, wir führen der Flasche etwas Energie zu, um den Druck in der Flasche zu erhöhen.

Methode zur Überprüfung dieses Prozesses

• Transiente CFD-Simulation ist relativ einfach
• Mathematische Modellierung dieses Prozesses in differentieller Form und Lösung. Das ist hart
• Experimenteller Prozess mit Strömungsvisualisierung wie Schlieren oder Shadowgraph mit PIV. Es ist sehr teuer.