سیالات و معادلات اساسی
سیالات و معادلات اساسی
سیالات و معادلات اساسی
سینماتیک سیالات
مطالعه حرکت سیالات برخلاف تعادل آنها ساده نیست و برای بررسی آن بایستی تحقیقات علمی را با مشاهدات تجربی توأم نمود. مشخصات اصلی یک سیال یعنی (فشار) ρ ،μ ،P و سرعت تابع شرایط زمانی و مکانی می باشد. در سینماتیک سیالات روابط بین موقعیت مکانی و موقعیت زمانی بررسی می شود. ابتدا مفاهیم را تعریف می نمائیم.
سیال ایده آل و حقیقی
سیال ایده آل سیال فرضی ای است که ویسکوزیته و قابلیت تراکم آن صفر باشد. گرچه بسیاری از مایعات را می توان عملا غیرقابل تراکم در نظر گرفت ولی تمام سیالات اعم از گازها یا مایعات دارای ویسکوزیته هستند. بنابراین می توان گفت هیچگاه سیال ایده آل وجود ندارد. اما برای بیان فرمول های خاص می توان ابتدا سیال را ایده آل در نظر گرفت و پس از اینکه معادله مربوط به این نوع سیالات بدست آمد، آن را برای سیالات واقعی تعمیم داد. تفاوت اصلی سیالات ایده آل و واقعی در ویسکوزیته آنهاست. در یک سیال ایده آل به علت نبودن ویسکوزیته، قشرهای مختلف سیال به موازات هم و با سرعت ثابت در حرکتند در صورتی که در مورد سیالات واقعی به علت وجود ویسکوزیته سرعت قشرهای مختلف سیال با هم متفاوت است.
جریان دائم یا ماندگار (Steady Flow) جریان غیردائم (Unsteady Flow)
اگر مشخصات اصلی جریان سیال در هر نقطه به زمان بستگی نداشته و فقط تابع شرایط مکانی آن نقطه باشد، جریان را دائم یا ماندگار می گویند. به عبارتی مشخصات سیال در حال حرکت در هر نقطه از مسیر نسبت به زمان ثابت باشد. اگر T ،ρ ،P،V به ترتیب سرعت، فشار، جرم مخصوص، درجه حرارت و ویسکوزیته سیال در یک نقطه معین و زمان باشد، در جریان دائم روابط زیر برقرار خواهد بود:
∂v/∂t=0 , ∂d/∂t=0 , ∂P/∂t=0 , ∂T/∂t=0 , ∂μ/∂t=0
در جریان غیر دائم یا ناماندگار (Unsteady) مشخصات سیال در یک نقطه در طول زمان تغییر می کند.
جریان آرام و متلاطم (Laminar and Turbulent Flow)
در جریان ارام قانون لزجت نیوتن حاکم می باشد (τ = μ dv/dy). جریان متلاطم از رابطه (τ=η dv/dy) پیروی می نماید که ضریب ویسکوزیته ظاهری است و به سرعت و جرم مخصوص سیال بستگی دارد و معروف به ویسکوزیته موجی هم می باشد. در واقع در جریان متلاطم نمی توان قانون نیوتن را به همان شکل به کار برد.
جریان یکنواخت و غیریکنواخت (Uniform and Nonuniform flow)
جریان یکنواخت:
- دائم: جریان مایع درون یک لوله بلند با دبی ثابت جریان دائم یکنواخت است.
- غیردائم: جریان مایع درون یک لوله بلند با دبی کاهش یابنده جریان یکنواخت غیردائم است.
جریان غیریکنواخت
- دائم: حالتی که مایعی در لوله ای با مقطع متغیر و با شدت جریان ثابت در حرکت باشد.
- غیردائم: حالتی که مایعی در لوله ای با مقطع متغیر و با شدت متغیر در حرکت باشد
اگر بردار سرعت جریان در تمام نقاط آن از نظر مقدار و جهت ثابت باشد، جریان را یکنواخت می نامند. اگر سرعت در مسیر S، V باشد، در این نوع جریان رابطه V/∂S=0∂ برقرار است. در حالتی که سرعت در قسمت های مختلف مسیر متغیر باشد، جریان را غیریکنواخت می نامند (V/∂S≠0∂) جریان یکنواخت و غیریکنواخت هر دو ممکن است دائم یا غیر دائم باشند. مایعی که در طول یک لوله مستقیم بلند پمپ می شود، جریان یکنواخت و اگر سطح مقطع لوله کاهش یابد و یا لوله منحنی باشد جریان غیر یکنواخت خواهد داشت.
مسیر، خط و لوله جریان
مسیر جریان (Path): مسیری که یک ذره سیال در حرکت خود طی می کند، مسیر جریان نام دارد.
خط جریان (Stream line): منحنی ای که در تمام حالات بر بردار سرعت یک ذره سیال مماس باشد، به نام خط جریان نامیده می شود.
لوله جریان (Stream Tube): اگر یک دسته خطوط جریان به منحنی مسدودی تکیه کنند، مجموعه آنها را به نام لوله جریان می گویند.
جریان یک، دو و سه بعدی
جریان یک بعدی (one – dimensional): در حالتی که تغییرات سرعت، فشار و سایر مشخصات جریان در مقطع عمود بر جهت جریان، ناچیز باشد، جریان را یک بعدی می نامند. در این نوع جریان خطوط جریان مستقیم و موازی یکدیگر می باشند. مانند حرکت مایع ایده آل در لوله های با مقطع یکنواخت و جریان در نهرها.
جریان دو بعدی (Two- dimensional): در این نوع جریان حرکت ذرات سیال در صفحات موازی انجام می گیرد. مسیر ذرات در این صفحات مشابه هم است. به عبارت دیگر، در این نوع جریان خطوط جریان در یک سطح قرار دارند و در جهت عمود بر این سطوح هیچ جریانی وجود ندارد مانند حرکت آب از بالای سرریزها یا جریان در داخل لوله ها.
جریان سه بعدی (Three – dimensional): عمومی ترین جریان می باشد که در طی آن مؤلفه های سرعت U و V و W آن تابع مختصات مکانی و لاو 2 و زمانی می باشد. مانند حرکت متلاطم آب در رودخانه ها.
جریان دارای گردش و جریان بدون گردش: اگر ذرات سیال ضمن حرکت، در هر نقطه علاوه بر حرکت انتقالی، دارای سرعت زاویه ای نیز باشند، جریان را به نام جریان دارای گردش (Rotational) و در غیر این صورت آن را به نام جریان بدون گردش (Irrotational) می نامند.
جریان تراکم پذير و جریان تراکم ناپذير: اگر حجم یک سیال در ضمن حرکت تغییر کند، آن را جریان تراکم پذیر (Compressible flow) می نامند. جریان تراکم پذیر بیشتر در مورد حرکت گازها صادق است و اگر حجم آن ضمن حرکت ثابت بماند آن را جریان تراکم ناپذیر (Incompressible flow) می نامند. مایعات را عملا می توان غیرقابل تراکم دانست و حرکت آنها را به صورت جریان تراکم ناپذیر در نظر گرفت.
دبی یا شدت جریان (Discharge): مقدار سیالی که در واحد زمان از یک مقطع جریان عبور می کند دبی می گویند. مقدار سیال را می توان به طریق حجم، وزن و یا جرم در نظر گرفت که به ترتیب دبی حجمی، دبی وزنی و دبی جرمی داریم که واحدهای آنها هم به ترتيب m3/sec، N/sec، Kg/sec می باشند. در کارهای مهندسی معمولا از حجم استفاده می شود.
ادامه مطالب زیر را با دانلود فایل پیوستی مشاهده کنید.
- معادله پیوستگی + مثال
- دینامیک سیالات + فرمول ها
- معادله برنولی در مورد سیالات ایده آل + فرمول
- معادلات برنولی برای سیالات واقعی + فرمول و مثال
- حرکت آب از دریچه لب تیز و لوله پیتوت
- و …
ورود یا ثبـــت نــــام + فعال کردن اکانت VIP
مزایای اشتراک ویژه : دسترسی به آرشیو هزاران مقالات تخصصی، درخواست مقالات فارسی و انگلیسی، مشاوره رایگان، تخفیف ویژه محصولات سایت و ...
حتما بخوانید:
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.