Non-Newtonian Fluid Dynamics And Ap

Non-Newtonian Fluid Dynamics And Applications In Geophysics:


Aside from air and water, most of the fluids we encounter in physical and industrial processes are "non-Newtonian" (meaning that there is no simple relationship between the stress and the rate of strain). Often, the 'rheology' arises because the fluid in question builds up a microstructure at the molecular level which becomes sufficiently extensive to affect the macroscopic properties of the fluid. In lava, for example, the microstructure is provided by a network of interlocked silicate crystals, and endows the fluid with an internal strength that allows lava to withstand a certain amount of imposed stress before it flows. Unfortunately, fluid models that build in the rheology significantly complicate the governing equations. My work in this area is focused on simplifying these equations to gain insight into the flow dynamics. For example, for lava flow, the main goal is to develop a "shallow-lava theory". That is, a general theoretical model that incorporates the essential physical ingredients and can be used to compute the flow of lava under terrestrial and extra-terrestrial conditions. Computations with the full three-dimensional equations is an inefficient route for such a model, partly because the rheology of cooling lava is so complicated. But by using asymptotic methods, simpler versions can be built for use by geologists. Related geological problems include mud flows and glacier mechanics. The rheology of mud and ice has several similarities with that of lava, and the same non-Newtonian fluid models can be used to describe how they flow. Similar models are also used for landslides, avalanches, and the dynamics of sand. These materials are mostly granular media, and require a different physical framework. However, the underlying idea (the reduction of governing equations to simpler, useful models) is a powerful tool that can be brought to bear in these applications also.

Much of my work is theoretical, focussing on mathematical modelling, but I also do experiments (some of which took place in the backyard and cellar; occasionally even in a lab).

I have many collaborators in these efforts, including Richard Craster and Richard Kerswell.

Kết quả (Việt) 1:

Động lực học chất lỏng không thuyết học Newton và ứng dụng trong địa vật lý: Ngoài không khí và nước, hầu hết các chất lỏng chúng tôi gặp phải trong quá trình vật lý và công nghiệp là "Phòng Không Newton" (nghĩa là không có mối quan hệ đơn giản giữa sự căng thẳng và tỷ lệ của căng thẳng). Thông thường, 'lưu biến' phát sinh vì các chất lỏng trong câu hỏi xây dựng một microstructure ở mức phân tử mà trở nên đủ rộng lớn để ảnh hưởng đến các thuộc tính vĩ mô của chất lỏng. Dung nham, ví dụ, microstructure được cung cấp bởi một mạng lưới tinh thể silicat lồng và endows chất lỏng với một sức mạnh nội bộ cho phép các dung nham để chịu được một số tiền nhất định của sự căng thẳng áp đặt trước khi nó chảy. Thật không may, chất lỏng các mô hình xây dựng trong lưu biến đáng kể phức tạp các phương trình quản lý. Công việc của tôi trong lĩnh vực này là tập trung vào đơn giản hóa các phương trình để đạt được cái nhìn sâu sắc động lực học dòng chảy. Ví dụ, cho dòng chảy dung nham, mục tiêu chính là để phát triển một lý thuyết dung nham nông"". Đó là, một mô hình lý thuyết tổng quát mà kết hợp các thành phần vật lý cần thiết và có thể được sử dụng để tính toán dòng chảy của dung nham dưới điều kiện trên đất liền và Extra-Terrestrial. Tính toán với các phương trình đầy đủ ba chiều là một tuyến đường không hiệu quả nhất như một mô hình, một phần vì lưu biến của làm mát dung nham là quá phức tạp. Nhưng bằng cách sử dụng phương pháp tiệm cận, phiên bản đơn giản có thể được chế tạo để sử dụng bởi nhà địa chất. Vấn đề địa chất liên quan bao gồm bùn dòng chảy và sông băng cơ học. Lưu biến của bùn và băng có nhiều điểm tương đồng với dung nham, và các mô hình cùng một chất lỏng không thuyết học Newton có thể được sử dụng để mô tả làm thế nào họ dòng chảy. Mô hình tương tự cũng được sử dụng cho lở đất, tuyết lở, và các động thái của cát. Các tài liệu này chủ yếu là hạt phương tiện truyền thông, và yêu cầu một khuôn khổ vật lý khác nhau. Tuy nhiên, ý tưởng cơ bản (giảm của các phương trình quản lý để mô hình đơn giản, hữu ích) là một công cụ mạnh mẽ mà có thể được mang đến cho gấu trong các ứng dụng này cũng.Phần lớn công việc của tôi là lý thuyết, tập trung vào lập mô hình toán học, nhưng tôi cũng làm thí nghiệm (một số trong đó diễn ra ở sân sau và hầm; đôi khi ngay cả trong một phòng thí nghiệm).Tôi có nhiều cộng tác viên trong những nỗ lực này, bao gồm Richard Craster và Richard Kerswell.

Kết quả (Việt) 2:

Dynamics phi Newton chất lỏng và ứng dụng trong địa vật lý: Bên cạnh không khí và nước, hầu hết các nước, chúng tôi gặp phải trong quá trình vật lý và công nghiệp là "phi Newton" (có nghĩa là không có mối quan hệ đơn giản giữa những căng thẳng và tỷ lệ căng) . Thông thường, các "lưu biến 'phát sinh do chất lỏng trong câu hỏi xây dựng một cấu trúc vi mô ở cấp độ phân tử đó trở nên đủ rộng lớn để ảnh hưởng đến tính chất vĩ mô của chất lỏng. Trong nham thạch, ví dụ, các vi được cung cấp bởi một mạng lưới tinh thể silicat đan cài, và endows các chất lỏng với một sức mạnh nội bộ, cho phép dung nham để chịu được một số tiền nhất định của sự căng thẳng áp đặt trước khi nó chảy. Thật không may, các mô hình chất lỏng mà xây dựng trong lưu biến phức tạp đáng kể các phương trình chi phối. Công việc của tôi trong lĩnh vực này là tập trung vào việc đơn giản hóa các phương trình để đạt được cái nhìn sâu sắc vào các động lực dòng chảy. Ví dụ, đối với dòng chảy dung nham, mục tiêu chính là phát triển một lý thuyết "cạn dung nham". Đó là một mô hình lý thuyết tổng quát kết hợp các thành phần vật lý cần thiết và có thể được sử dụng để tính toán dòng chảy của dung nham dưới điều kiện trên cạn và ngoài Trái đất. Tính toán với các phương trình ba chiều đầy đủ là một con đường không hiệu quả đối với một mô hình như vậy, một phần vì tính lưu biến của dung nham làm mát là rất phức tạp. Nhưng bằng cách sử dụng phương pháp tiệm cận, các phiên bản đơn giản có thể được xây dựng để sử dụng bởi các nhà địa chất. Các vấn đề liên quan đến địa chất bao gồm dòng chảy bùn và cơ khí sông băng. Lưu biến của bùn và đá có nhiều điểm tương đồng với các dòng dung nham, và các mô hình chất lỏng phi-Newton tương tự có thể được sử dụng để mô tả cách thức họ chảy. Mô hình tương tự cũng được sử dụng cho lở đất, lở tuyết, và sự năng động của cát. Những vật liệu này chủ yếu là phương tiện truyền thông dạng hạt, và đòi hỏi một khuôn khổ lý khác nhau. Tuy nhiên, ý tưởng cơ bản (giảm chi phối phương trình để đơn giản, các mô hình hữu ích) là một công cụ mạnh mẽ mà có thể được đưa đến chịu trong các ứng dụng này cũng được. Phần lớn công việc của tôi là lý thuyết, tập trung vào các mô hình toán học, nhưng tôi cũng làm thí nghiệm ( một số trong đó đã diễn ra trong sân sau và hầm;. thỉnh thoảng thậm chí trong một phòng thí nghiệm) Tôi có nhiều cộng tác viên trong những nỗ lực này, bao gồm Richard Craster và Richard Kerswell.