مکانیک سیالات را می توان یک ﻣﺒﺤﺚ ﮔﺴﺘﺮﺩﻩ، ﻣﻬﻴﺞ ﻭ ﺟﺬﺍﺏ ﺩﺍﻧﺴﺖ ﻛﻪ ﺩﺍﺭﺍﻯ ﻛﺎﺭﺑﺮﺩ ﻧﺎ ﻣﺤﺪﻭﺩﻯ ﺩﺭ ﺩﻧﻴﺎﻯ امروز ﻣﻴﻜﺮﻭﺳﻜﻮﭘﻰ ﻭ ﺑﻴﻮﻟﻮژﻯ ﮔﺮﻓﺘﻪ ﺗﺎ ﻣﺒﺎﺣﺚ مربوط به ﺍﺗﻮﻣﺒﻴﻞ، ﻫﻮﺍﭘﻴﻤﺎ ﻭ ﭘﻴﺸراﻥﻫﺎﻯ ﻓﻀﺎﻳﻰ ﺍﺳﺖ. ﻣﻜﺎﻧﻴﻚ ﺳﻴﺎﻻﺕ ﺫﺍﺗﺎ یک ﻣﻮﺿﻮﻉ ﺑﺼﺮﻯ ﺍﺳﺖ ﻭ ﺩﺍﻧﺸﺠﻮﻳﺎﻥ ﺑﺎ ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﺍﺯ ﺷﺒﻴﻪ ﺳﺎﺯﻯ ﺗﺼﻮﻳﺮﻯ، ﺁﻥ رافرامی ﮔﻴﺮﻧﺪ. مکانیک قدیمی ترین علم فیزیکی است که هم با اجسام ساکن و هم با اجسام متحرک تحت اثر نیروها، سروکاردارد.
- شاخه ای از مکانیک که با اجسام در حال سکون سروکاردارد، استاتیک نامیده می شود
- شاخه ای که درباره اجسام درحال حرکت بحث می کند، دینامیک نام دارد
ﺯﻳﺮ ﻣﺠﻤﻮﻋﻪ ﻣﻜﺎﻧﻴﻚ ﺳﻴﺎﻻﺕ ﺑﻪ ﻋﻨﻮﺍﻥ ﻋﻠﻤﻰ ﺗﻌﺮﻳﻒ ﻣﻰشود که بارفتار ﺳﻴﺎﻻﺕ ﺳﺎﻛﻦ (ﺍﺳﺘﺎﺗﻴﻚ ﺳﻴﺎﻻﺕ) ﻳﺎ ﺳﻴﺎﻻﺕ ﺟﺎﺭﻯ (ﺩﻳﻨﺎﻣﻴﻚ ﺳﻴﺎﻻﺕ) ﻭ ﺍﺛﺮ ﻣﺘﻘﺎﺑﻞ ﺳﻴﺎﻻﺕ ﺑﺮ ﺟﺎﻣﺪﺍﺕ ﻳﺎ ﺳﺎﻳﺮ ﺳﻴﺎﻻﺕ ﺩﺭ ﻣﺮﺯﻫﺎﻯ ﻣﺸﺘﺮﻛﺸﺎﻥ، ﺳﺮﻭﻛﺎﺭ دارد. مکانیک سیالات به عنوان دینامیک سیالات نیز شناخته می شود. مکانیک سیالات خود به چند شاخه تقسیم می گردد. مطالعه حرکت سیالاتى که در عمل تراکم ناپذیر می باشند، به طور معمول به عنوان هیدرودینامیک نامیده می شود.
شاخه اى که با دینامیک گاز سروکار دارد و جریان سیال در آن دستخوش تغییرات چگالى عمده اى می شود، به آیرودینامیک معروف است.
ویسکوزیته کلیه سیالات موجود در کره زمین تابعی از فشار و دماست. در مورد سیالات غیر نیوتنی ویسکوزیته علاوه بر دما و فشار، معمولاً تابعی از گرادیان سرعت است.
ازجمله ویسکوزیته ها می توان به چندنوع اشاره کرد:
- مدول الاستیسیته
- ضریب انبساط حرارتی
- سرعت صوت
- فشاربخار
- دانسیته
- ویسکوزیته
- استاتیک سیالات
تعریف فشار
در مکانیک سیالات مقصود از فشار همان فشار ترمودینامیکی است که گاهی اوقات ازآن به عنوان فشار استاتیکی یاد می کنیم. منشا این فشار که جنبش مولکولی است که در دماهای بالاتراز صفر مطلق همواره وجود دارد. برای یک سیال نیوتنی در صورتی که ساکن باشد، فشار در یک نقطه مستقل از جهت است. فشار همواره در جهت خلاف بردار یکه ی عمود برسطح، به سطح مزبور تاثیر دارد.
نیروی ارشمیدس
در مورد اجسامی که کاملاً در داخل یک سیال غوطه ور هستند، برایند نیروی ناشی از توزیع فشارها به سمت بالاست که اصطلاح نیروی ارشمیدس نامیده می شود. با یک مثال مبحث روشنتر می شود.
جسمی به حجم را در نظر بگیرید که در داخل سیالی با وزن مخصوص ثابت قرار دارد. نیروی عمودی وارد بر نیمه بالایی جسم مورد نظربرابر با وزن سیال بالای آن است و جهت آن روبه پایین می باشد. برآیند دونیرویی که یکی مثبت و دیگری منفی است ،به صورت نیروی مثبتی ظاهر می شود که با وزن سیال جابجاشده از نظرمقدار برابری می کند.
مباحث سینماتیکی چیست؟
درمباحث سینماتیکی به بررسی 2 دیدگاه می پردازیم:
- دیدگاه اویلری
- دیدگاه لاگرانژی
جریان یک سیال را از دو دیدگاه متفاوت می توان بررسی کرد. ذره ی خاصی ازسیال در طول زمان دنبال شده و تغییرات پارامترهای همچون فشار و سرعت به صورت تابع پیوسته از زمان تثبیت می‌شود که به این دیدگاه دیدگاه لاگرانژی گفته می شود.
دیدگاه دوم که به دیدگاه اویلری معروف است درآن هیچ یک ازذرات سیال دنبال نمیشوند بلکه در نقاط متفاوت میدان، وضعیت مختلف عبوری از نقاط یاد شده مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین این دو دیدگاه یاد شده مستقل از همدیگر نیستند.
محدودیتهای معادله برنولی از لحاظ کاربرد به صورت زیر می باشد:
- شتاب ثقل بایدثابت باشد.
- حرکت باید دائم باشد.
- حرکت باید در خط امتداد یک خط جریان صورت گیرد.
- جریان باید غیر لزج باشد.
- جریان باید تراکم ناپذیر باشد.
معادلات برنولی
معادله برنولی می تواند فشار منفی مطلق را برای بعضی جریان های غیرممکن پیش بینی کند. این پیش بینی برای گازها نشان میدهد که سرعت برای استفاده از معادله برنولی خیلی زیاد بوده است و برای مایعات خواهد جوشید و موجب ایجاد سیال دو فازی با سرعت کمتر از سرعت پیش بینی شده خواهد بود.
به طور معمول در معادله برنولی از تغییرات سرعت عمودی در جریان داخل لوله و یا کانال صرف نظر میکنیم که این کار در مواردی همچون جریان سرریز از یک سد خطا ایجاد میکند هرچند این خطا ممکن است ناچیز باشد.
معادله برنولی یک موازنه انرژی برای جریان پایدار با چگالی ثابت می باشد.
برای جریانهای با چگالی ثابت جمله:
F در معادله برنولی نقش اصطکاک حرارتی واحد جرم
آنالیز ابعادی چیست؟
برای حل مسائل مکانیک سیالات از طریق ، آزمایش مهمترین گام تعیین پارامتر هایی است که بر متغیر تابع تاثیر گذار باشد.
اگر بخواهیم تکنیکی موثر برای ساده کردن عملیات آزمایشگاهی را نام ببریم آنالیز ابعادی است. در مسائل مکانیک سیالات انواع پارامترهای درگیر در یک مسئله را بر حسب چهار بعد اصلی از جمله نیرو، زمان ،طول وجرم می توان بیان نمود.
ضرایب بدون بعد مهم در مکانیک سیالات
ضریب اصطکاک پوسته ای:
این ضریب نسبت تنش برشی به فشار دینامیکی است و به شکل زیر
تعریف می شود
ضریب درگ:
این ضریب نسبت نیروی درگ به نیروی اینرسی است و به شکل زیر می باشد:
ضریب لیفت:
این ضریب نسبت نیروی لیفت نیروی اینرسی و به صورت زیر می باشد
ضریب فشار:
این ضریب نسبت نیروی ناشی از فشار به فشار دینامیکی می باشدوبه شکل زیر است:
چند نمونه از گروه های بدون بعد درمکانیک سیالات
عدد رینولدز :
این عدد نسبت نیروی اینرسی به نیروی لزجت است و درمسائلی که لزجت سیال مهم است، اهمیت پیدا خواهد کرد.
عدد فرود :
این عدد، جذر نیروی اینرسی به نیروی ثقل است و به شکل زیر تعریف می شود.
عدد اولر:
عدد اولر نیروی ناشی ازفشار به نیروی اینرسی است و به شکل مقابل نیز تعریف می شود:
عدد ماخ :
این عددجذر نسبت نیروی الاستیک به نیروی اینرسی است و به صورت زیر تعریف می باشد:
عدد وبر:
نسبت نیروی اینرسی به نیروی کشش سطحی میباشد و به صورت زیر بیان می شود
جریان خارجی چیست؟
وقتی صحبت از جریان خارجی می شود ، منظور همان جریان سیال در اطراف اجسامی همانند موشک دودکش و… است. هدف مکانیک سیالات درحقیقت، تعین رابطه ای بین خواص سیال، پارامتر های سینماتیک جریان و خواص هندسی جسم و نیرویی است که به عنوان تنها مجهول مسئله مطرح می شود است.
تئوری لایه ی مرزی چیست؟
برای به دست آوردن توزیع تنش نیاز به سرعت در هر مقطع و همچنین برای محاسبه درگ اصطکاکی، لازم است توزیع تنش برشی بر روی سطح جسم مشخص باشد.
خوشبختانه در بیشتر مسائل مربوط به جریان لزج در مهندسی مکانیک، عددرینولدز جریان بسیار بالاست که درچنین مواردی می توانیم بااستفاده از تقریب خاصی که تقریب لایه مرزی نامیده می شود معادلات ناویر استوکس را ساده تر کرد و سپس از تکنیک‌های خاصی همانند حلهای تشابه ای برای حل آنها استفاده کنیم.
فرض اساسی و مهم در تئوری لایه مرزی این است که تنش های برشی فقط در لایه های نازک و نزدیک به سطح خارجی جسم حائزاهمیت می باشد.
انواع ضخامت های لایه مرزی
لایه مرزی دارای ضخامت است که به شکل زیر میباشند
ضخامت جابجایی
ضخامت جابجایی، ضخامتی است که باید به جسم افزوده شود تادبی در جریان لزج ، برابر با دبی در جریان غیر لزج هم ارزآن گردد.
ضخامت ممنتوم
معرف میزان کاهش در مومنتوم سیال در اثر تشکیل لایه مرزی است و به شکل زیر تعریف می شود
ضخامت لایه مرزی
سرعت برابر با ۹۹ درصد سرعت در خارج از لایه مرزی باشد. x فاصله ای از دیواره است که مولفه ی قبل از آنکه ابرکامپیوترها دردسترس باشند، مکانیک سیالات دو و سه بعدى توسط مهندسان به کمک محاسبات دستى انجام میشد،ولى اغلب مسائل مهندسى شیمى به طور تجربى مد نظر قرار می گرفت.
امروزه کامپیوترها اینگونه مسائل را اگر از راه محاسبات تحلیلى حل نشود، به کمک محاسبات عددى حل می کنند وبه همین دلیل مهندسان شیمى نیز مسائل دو و سه بعدى را به دفعات استفاده می کنند.
CFD دینامیک سیالات محاسباتی
- معـادلات مکانیـک سـیالات بنیـادی را به طـور عددی حل می کنـد.
- CFD این کار با تقسیم فضا (دویا سه بعدی) به بازه ی کوچکی از برخی شبکه ها و جایگزین کردن مشتقات انجام می شود.
- ترکیب CFD ها بـا انتقال گرمـا و واکنش هـای شـیمیایی مثل معادلات احتراق، مهندسان شیمی را به ابزارهـای قدرتمنـدی بـرای تجزیه تحلیل مسـائل مجهـز میکند.
مکانیک سیالات دو و سه فازی
بسیاری از مسائل تجربی تنها در حیطه فضای دو بعدی و سه بعدی قابل فهمند. ابزارهای پایه برای مکانیک سیالات دو و سه بعدی موازنه های اندازه حرکت و جرم سه بعدی که در شکل معادلات دیفرانسیل جزیی وجود دارند.
توربین
در توربین، سرعت سیالات به کمک نازلهاى ثابت زیاد شده و توسط پره هاى متحرک و یا واکنشى کم می شود. اغلب توربین ها یا به طورکامل ضربه اى هستند و یا اینکه بخشى از آنها به صورت ضربه اى و قسمت دیگر به صورت واکنشى کار مى کنند. بعلاوه توربین ها به صورت ضربه اى کار مى کنند.
معادلات لایه ی مرزی
برای به دست آوردن معادلات لایه ی مرزی، از روش پرانتل استفاده میکنید که در آن مرتبه بزرگی ترم های ظاهر شده در معادلات مومنتوم با یکدیگر مقایسه شده و ترمهای کوچکترحذف می شوند.
در جریان دائم، دو بعدی و غیرقابل تراکم یک سیال لزج، معادلات شامل ناویراستوکس و معادله پیوستگی به شکل زیر تعریف می شوند:
