ویکی‌جزوه/دانشکده:فنی و مهندسی/مکانیک سیالات/مقدمه

مقدمه

با توجه به این که استاتیک و تحرک شاره‌ها در طبیعت، صنعت و زندگی روزمره انسان کاربرد فراوان دارد، لذا دانشمندان آزمایشهای گسترده و اغلب مبتکرانه‌ای را در این زمینه ترتیب می‌دهند. این آزمایشها بیشتر کاربرد صنعتی دارند و همین امر سبب ایجاد علمی به نام مکانیک سیالات شده است. مکانیک سیالات علمی است که در ان رفتار سیالات در حال سکون و در حال حرکت و همچنین اثرات سیال بر مرزهای جامد و مایع مورد بررسی قرار می‌گیرد. شاخه‌ای از علم مکانیک سیالات را که رفتار سیالات در حال حرکت در آن مطالعه می‌شود دینامیک سیالات می‌نامند. روش‌های مطالعاتی در مکانیک سیالات عبارتند از:

الف) روش‌های تجربی یا آزمایشگاهی : این کار به کمک تحلیل ابعادی و تشابه صورت می‌گیرد.

ب) روش‌های تحلیلی : این روش‌ها به دو دسته انتگرالی و دیفرانسیلی تقسیم بندی می‌شوند.

ج) روش‌های عددی: این روش‌ها با استفاده از کامپیوتر و برنامه‌های CFD (دینامیک سیالات محاسباتی) به کار می‌روند.

لازم است ذکر شود که مکانیک سیالات محاسباتی، در صنایع هوایی و ساخت سفینه‌های فضایی کاربرد دارد، به همین دلیل نیاز به تحقیقات و پژوهشهای علمی و عملی در مکانیک سیالات وجود دارد.

حالت‌های ماده و سیال

ماده در طبیعت به دو دسته جامد و سیال تقسیم می شود. سیال خود شامل گازها و مایعات می شود. البته پلاسماهم جزو سیالات به حساب می آید.

یک اختلاف مهم بین حالت های ماده از میزان فواصل بین مولکولی و آزادی حرکت مولکول ها ناشی می شود که این دو متغیر برای حالت های مختلف ماده به صورت زیر تغییر می کنند:

گازها > مایعات > جامدات

تعریف سیال: سیال را ماده‌ای تعریف می‌کنند که وقتی تنش برشی هر چند کوچکی وجود داشته باشد، شکل آن بطور پیوسته و دائمی تغییر کند. جسم جامد وقتی تحت تأثیر تنش برشی قرار بگیرد، تغییر مکان معینی می‌دهد و یا کاملاً می‌شکند. مثلاً قطعه جامد وقتی تحت تأثیر تنش برشی $\tau$ قرار بگیرد، تغییر شکلی می‌دهد که آن را با زاویه Δα مشخص کرده‌ایم. اگر به جای آن یک ذره سیال قرار داشت، Δα ثابتی وجود نداشت، حتی اگر تنش بینهایت کوچک می‌بود. در عوض تا وقتی که تنش برشی $\tau$ اعمال شود، یک تغییر شکل پیوسته ادامه دارد.

در موادی مانند پارافین که گاهی آنها را پلاستیک می‌نامیم، هر دو نوع تغییر شکل برشی را می‌توان یافت که اگر به مقدار معینی کمتر باشد، تغییر مکانهایی مشابه تغییر مکان جسم جامد بوجود می‌آید و اگر مقدار تنش برشی بیش از این مقدار باشد، به تغییر شکل پیوسته‌ای مشابه تغییر شکل سیال می‌انجامد. مقدار این تنش برشی حد فاصل، به نوع و حالت ماده بستگی دارد.

تاریخچه

تا اوایل قرن بیستم مطالعه سیالات را اساساً دو گروه هیدرولیک‌دانان و ریاضی‌دانان انجام می‌دادند. هیدرولیک‌دانان به صورت تجربی کار می‌کردند، در حالی که ریاضیدانان توجه خود را بر روش‌های تحلیلی متمرکز کرده بودند. آزمایشهای وسیع و اغلب مبتکرانه گروه اول اطلاعات زیاد و ارزشمندی را در اختیار مهندسان کاربردی آن روز قرار می‌داد. البته به علت عدم تعمیم یک نظریه کارآمد این نتایج دارای ارزش محدودی بودند. ریاضیدانان نیز با غفلت از اطلاعات تجربی مفروضات آن چنان ساده‌ای را در نظر می‌گرفتند که نتایج آنها گاه بطور کامل با واقعیت مغایرت داشت.

محققان برجسته‌ای مانند رینولدز (R. J. Reynolds)، فرود، پرانتل و فن کارمان پی بردند که مطالعه سیالات باید آمیزه‌ای از نظریه و آزمایش باشد. این مطالعات سرآغازی برای رسیدن علم مکانیک سیالات به مرحله کنونی آن بوده است. تسهیلات جدید پژوهش و آزمون که ریاضیدانان، فیزیکدانان، مهندسان و تکنیسین‌های ماهر در کار جمعی از آن استفاده می‌کنند، هر دو دیدگاه را به هم نزدیک می‌کند.

استاتیک سیالات

اگر تمام ذرات یک سیال یا بی حرکت باشند، یا نسبت به یک دستگاه مختصات لَخت بطور همسان سرعت ثابت داشته باشند، آن سیال را استاتیک در نظر می‌گیرند. در سیال ساکن یا سیال در حال حرکت یکنواخت، از آنجا که سیال نمی‌تواند بدون حرکت در برابر تنش برشی مقاومت کند، سیال ساکن لزوماً باید بطور کامل از تنش برشی فارغ باشد. سیالی که حرکت یکنواخت دارد، یعنی جریانی که در آن سرعت تمام اجزا یکسان است، نیز فارغ از تنش برشی است، زیرا تغییرات سرعت در تمام جهت‌ها در جریان یکنواخت باید صفر باشد.

جریان با سطح آزاد

جریان با سطح آزاد معمولاً به جریانی از مایع گفته می‌شود که در آن قسمتی از مرز جریان که سطح آزاد نامیده می‌شود، فقط تحت تأثیر شرایط معینی از فشار قرار داشته باشد. مانند: حرکت آب در اقیانوسها، در رودخانه‌ها و همچنین جریان مایعات در لوله‌های نیمه پر؛ تمامی اینها جریانهایی با سطح آزاد به شمار می‌آیند که در آنها فشار جو روی سطح مرز اعمال می‌شود. در تحلیل جریان با سطح آزاد، باید به این نکته توجه داشت که وضعیت هندسی سطح آزاد از قبل معلوم نیست.

تعیین شکل هندسی مربوطه به یک قسمت از جواب است، یعنی با یک شرط مرزی بسیار دشوار مواجهیم. به همین دلیل تحلیلهای کلی بسیار پیچیده هستند و خارج از حوزه این مقاله قرار می‌گیرند. اگرچه قسمت اعظم مبحثی که باید بررسی شود، در آغاز فقط برای متخصصان هیدرولیک و مهندسان ساختمان جالب به نظر می‌رسد، ولی بعداً خواهید دید که امواج آب و پرش هیدرولیکی، به ترتیب با موج فشاری و موج شوکی که در جریان تراکم پذیر بررسی می‌شوند، قابل قیاس‌اند.

مکانیک سیالات

مکانیک سیالات: علم بررسی رفتار سیالات در حالت سکون یا حرکت و اثرات سیال بر مرزهای جامد یا سیال می باشد .

• مکانیک سیالات از دو دیدگاه مورد بررسی قرار می‌گیرد:

- بررسی حرکت سیالات در حالت کلی بسیار پیچیده می‌باشد؛ بنابراین همواره با استفاده از ساده‌سازی‌های مختلف راه را برای بررسی‌های گوناگون هموار می‌نماییم و برای جلوگیری از خطاهای مختلف از تلفیق روش‌های تجربی و تئوری استفاده می‌کنیم.

• حالت‌های مختلف ماده:

1. سیال (مایع و گاز)
2. جامد

- تفاوت اساسی این دو دسته در واکنش آنها نسبت به نیروی برشی می‌باشد.

جامدات در مقابل یک تنش برشی یا یک تغییر شکل معین و ثابت مقاومت می‌کند ولی اگر تنش برشی (هر قدر هم که کوچک باشد) به یک سیال وارد شود تا زمانی که این تنش به سیال وارد می شود؛ سیال در حال تغییر فرم خواهد بود.به عبارت دیگر می توان گفت در واقع سیال در مقابل تنش برشی تغییر شکل ممتد می دهد.

اهمیت

سیالات برای زندگی ضروری است:

_%۷۰ وزن بدن انسان را آب تشکیل میدهد.

بدن انسان

- به هر ماده که نگاه کنیم یا خود یک سیال است یا در مجاورت یک سیال قرار دارد.

- ۷۵٪ سطح زمین از آب پوشیده شده است.

آب‌ها در سطح زمین

-۱۰۰٪ هوا را تشکیل می دهد.

- اتمسفر زمین تا ۱۷ کیلومتر بالاتر از سطح زمین امتداد دارد.

علاوه بر موارد فوق در علوم هواشناسی، اقیانوس شناسی، هیدرولوژی، مسائل آبیاری، کنترل سیلاب ها، دفع فاضلاب ها، حرکت پرتابه ها، هواپیما ها، موشک ها و کشتی ها، جریان روغن و گاز ها در لوله ها، مطالعات پزشکی درباره ی دستگاه تنفس، و جریان خون اساساً با جریان سیال سرو کار دارند.

تاریخ بشر در اثر علم سیالات متحول شده است:

- زمین ریخت‌شناسی

- مهاجرت و تمدن بشر

- روشها و تئوریهای ریاضیات و علوم جدید

- جنگ‌افزارها

روش حل مسائل

مراحل حل مسائل سیالات:

۱- مطالعه مسئله، و بیان خلاصه آن.

۲- جمع آوری اطلاعات مورد نیاز.

۳- بیان خواسته های مساله.

۴- ترسیم یک طرحواره ی مناسب.

۵- بیان فرض های مناسب و تشخیص شرایط جریان (مانند پایداری و ناپایداری جریان؛ تراکم پذیری یا ناپذیر بودن؛ ویسکوز یا نا ویسکوز بودن؛ معادله های انتگرالی مورد نیاز است یا غیر انتگرالی).

۶- حل پارامتری (تا جایی که ممکن است)، و کاربرد دستگاه آحاد SI یا BG برای حل عددی.

۷- بیان آحاد نتایج حاصله، و استفاده از تعداد ارقام با معنی مورد نیاز برای این نتایج.