180 نمونه سوال و مسئله مکانیک سیالات با پاسخ تشریحی
فشار و مانومترها، نیروی وارد بر سطوح مستغرق، کاربرد معادله برنولی، تخلیه مخزن، سرریزها، کاربرد معادله مومنتم، جریان در لوله ها و آنالیز ابعادی
نمونه سوالات مکانیک سیالات با پاسخ تشریحی
180 نمونه سوال و مسئله مکانیک سیالات با پاسخ تشریحی
فشار و مانومترها، نیروی وارد بر سطوح مستغرق، کاربرد معادله برنولی، تخلیه مخزن، سرریزها، کاربرد معادله مومنتم، جریان در لوله ها و آنالیز ابعادی
انواع سیالات سیال تراکمناپذیر
در بررسی انواع مختلف سیالاتی که تحت شرایط استاتیکی قرار دارند، پی میبریم که بعضی از سیالات ، علیرغم وجود فشارهای زیاد ، تغییرات چگالی بسیار کمی دارند. حالت مایع بودن این سیالات به خاطر همین رفتار است. تحت چنین حالتی ، سیال را تراکمناپذیر مینامند و در ضمن محاسبات فرض میکنند چگالی آن ثابت است. مطالعه سیالات تراکمناپذیر را در شرایط استاتیکی ، هیدرولیک مینامند.
سیال تراکمپذیر
در جایی که چگالی را تحت شرایط استاتیکی نتوان ثابت گرفت، مانند یک گاز ، سیال را تراکمپذیر میگویند و برای مشخص کردن این دسته از مسائل اغلب از نام آئروستاتیک بهره میگیریم. این طبقهبندی از لحاظ تراکمپذیری ، در محدوده علم استاتیک صورت میگیرد. در دینامیک سیالات ، اینکه چه وقت میتوان چگالی را ثابت گرفت، تنها به نوع سیال بستگی ندارد.
حرکات انواع سیالات حرکت سیال غیریکنواخت
از آنجا که سیال نمیتواند بدون حرکت در برابر تنش برشی مقاومت کند، سیال ساکن لزوما باید بطور کامل از تنش فارغ باشد. سیالی که حرکت یکنواخت دارد، یعنی جریانی که در آن سرعت تمام اجزا یکسان است، نیز فارغ از تنش برشی است، زیرا تغییر سرعت در تمام جهتها در جریان یکنواخت باید صفر باشد ( v/∂n=0∂).
حرکت سیال غیرچسبناک
سیالی را که چسبناکی آن از لحاظ نظری صفر است، سیال غیرچسبناک میگویند. از آنجا که قسمت اعظم جریانها ، آثار چسبناکی ناچیز و قابل صرفنظری دارند، لذا ایدهآلسازی و سادهسازیهای ناشی از آن را اغلب به خوبی میتوان بهره گرفت. قانون حرکت نیوتن را برای یک جرم منشوری بینهایت کوچک سیال در داخل جریان میتوان بکار برد.
حرکت سیال چسبناک
آثار چسبناکی را در نظر میگیریم، البته معنیاش این است که تنشهای برشی حضور دارند، یعنی 9 تنش غیر صفر وارد به سه وجه متعامد در یک نقطه ، میتواند وجود داشته باشد. برای اینکه تنش در یک نقطه را مورد بحث قرار دهیم، بهتر است که یک چهاروجهی بینهایت کوچک از سیال را بررسی کنیم. 9 تنش بر وجه عقبی چهاروجهی وارد میآید. با بکارگیری قوانین حرکت نیوتن در جهت عمود بر سطح مایل چهار وجهی ، تنش برشی را میتوان برحسب 9 تنش قائم بر صفحات مرجع بدست آورد.
تغییر فشار در یک سیال
برای توزیع فشار در سیالات ، تعادل نیروهای وارد بر یک جز بینهایت کوچک سیال را در نظر میگیریم. نیروهای وارد بر این جز از فشار محیط اطراف و نیروی گرانشی ناشی میشوند. اگر فشار فقط در جهت محور z باشد که برخلاف جهت شتاب جاذبه گرانشی (ثقل) انتخاب شده است، میتواند تغییر کند. از آنجا که P فقط در جهت z تغییر میکند و تابعی از x و y نیست، از معادله زیر میتوان استفاده کرد:
dP/dz=-γ
این معادله دیفرانسیل برای هر سیال استاتیک تراکمپذیر واقع در یک میدان گرانشی صادق است. برای ارزیابی خود توزیع فشار ، بین دو حد که بطور متناسب انتخاب شده اند، با انتگرالگیری از رابطه فوق خواهیم داشت:
P-Patm=γ(z-z0)=γd
که در آن d عبارت است از فاصله زیر سطح آزاد. P-Patm یعنی فشار بالای فشار جو را ، فشار نسبی (پیمانهای) میگوییم.
تغییر فشار با ارتفاع در یک سیال استاتیک تراکمپذیر
فواصل عمومی گازها در مسائل فشارسنجی کوچک هستند و در نتیجه برای این گازها از تغییر فشار با ارتفاع چشم پوشی میکنیم، ولی در محاسباتی که با فاصلههای عمومی بزرگ سروکار دارند، مانند مسائل مربوط به جو سیارات ، اغلب باید تغییر فشار گاز با ارتفاع را در نظر بگیریم. با مراجعه به معادله دیفرانسیل dP/dz = -γ که فشار ، وزن مخصوص و ارتفاع را به هم ارتباط میدهد، اکنون فرض میکنیم، γ یک متغیر است و به این ترتیب تاثیرهای تراکمپذیری را امکانپذیر میکند. خودمان را به گاز کامل محدود میکنیم که این فرض برای هوا و اکثر عناصر آن در گسترده نسبتا وسیعی از فشار و دما صحت دارد. (g/V=γ)
حالت اول
اگر گاز کامل تکدما باشد، در این حالت ، معادله حالت گاز نشان میدهد که حاصلضرب PV ثابت است. بدین ترتیب ، در هر مکان داخل سیال با استفاده از اندیس 1 که دادههای معلوم را نشان میدهد، میتوان نوشت:
PV=P1V1=Cte
(P=P1exp(-γ1(z-z1)/P1
حالت دوم
اگر دما با ارتفاع بطور خطی تغییر کند، تغییر دما برای این حالت به صورت زیر است:
T=T1+kz
که در آن T1 عبارت است از دما در داده (z=0) که آن را اغلب آهنگ افت مینامند و ثابت است. در مسائل زمینی k منفی خواهد بود. برای اینکه بتوانیم متغییرهای معادله dP/dz=-γ را جدا کنیم، باید γ را از معادله حالت بدست آوریم و در نهایت خواهیم داشت:
P=P1(T1/(T1+kz))g/kR
تاریخچه:
تا اوایل قرن بیستم مطالعه سیالات را اساسا 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 مهندس 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 ، 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 و فیزیکدانان ، مهندسان و تکنیسینهای ماهر در کار جمعی از آن استفاده میکنند، هر دو دیدگاه را به هم نزدیک میکند.
تعریف استاتیک سیالات
در مطالعه محیط پیوسته یا اصطلاحاً پیوستار بین نیروها تمایز یا اختلاف قائل می شویم یعنی نیروها را به دو دسته تقسیم می کنیم
1 ) نیروهای کالبدی body forces : نیروهایی که بر ذرات جسم وارد می شوند یعنی به جرم بستگی دارند. این نیروها می توانند بدون تماس مستقیم و از راه دور بر جسم اثر بگذارند مانند نیروهای جاذبه ثقلی – نیروهای الکترو استاتیکی و مغناطیسی
2 ) نیروهای سطحی surface : نیروهایی که توسط محیط و از طریق مرزهای جسم با محیط اطرافش بر جسم وارد می شوند مانند نیروهای فشاری – نیروهای برشی . نیروهای کشش سطحی
در استاتیک سیالات فشار خاصیت اساسی مطالعه سیالات است در هر نقطه از سیال وجود دارد در اینجا می خواهیم نشان دهیم فشار در یک نقطه به جهت بستگی ندارد. یعنی فشار یک کمیت اسکالر است یک عنصر به صورت 4 وجهی از یک سیال ساکن انتخاب می کنیم . البته می توان سیال را دارای حرکت یکنواخت نیز در نظر گرفت با نوشتن موازنه نیروها می توان نشان داد که فشار در یک نقطه از سیال به جهت بستگی ندارد.
شامل 46 صفحه فایل word قابل ویرایش
این جزوه به صورت دست نویس است.
این جزوه درس مقدمه ای بر دینامیک سیالات عددی پروفسور مسعود دربندی دانشگاه صنعتی شریف می باشد که به ارائه مباحث مطرح در این واحد درسی پرداخته است.
این جزوه در 32 صفحه بوده و امیدواریم در جهت کمک به شما عزیزان مورد استفاده قرار بگیرد.
مشخصات این فایل
عنوان: انتقال حرارت به سیالات با خواص متغیر
فرمت فایل: word( قابل ویرایش)
تعداد صفحات: 114
این مقاله درمورد انتقال حرارت به سیالات با خواص متغیره می باشد.
ـ اثر شناوری
در جریانهای سیالات با خواص ثابت، وجه غالب در انتقال گرما، جابجایی اجباری میباشد. جریانهای سیالات با خواص متغیر (شرایط فوق بحرانی) اتقال حرارت بصورت ترکیبی از جابجایی آزاد و اجباری خواهدبود. جابجای آزاد، در واقع ناشی از تأثیر نیروهای شناوری است. در مورد لولههای قائم، شناوری موجب میشود که بین ضرایب انتقال حرارت بدست آمده برای جریان بالارو و پایینرو اختلاف اساسی ایجاد شود. انتقال حرارت در جریان پایینرو افزایش مییابد در حالیکه درجرانهای بالارو انتقال حرارت دچار اخلال و زوال میگردد. در لولههای افقی در شرایطی که قطر لوله نسبتاً بزرگ، شار جرمی کم و شار حرارتی زیاد باشد اثرات شناوری نمود میکند. در این لولهها اثرات شناوری باعث تغییرات محیطی در ضرایب انتقال حرارت میشود، بطوریکه مقادیر ضریب انتقال حرارت در قسمتهای فوقانی لوله کمتر از مقادیر مربوطه در قسمتهای تحتانی لوله میشود. اختلال ایجاد شده در انتقال حرارت در قسمت فوقانی لولههای افقی را میتوان به لایهبندی و طبقهبندی در جریان نسبت داد. در واقع در لولهها افقی در حالتی که شار جرمی کم، شار حرارتی زیاد و دمای دیواره از دمای شبه بحرانی بیشتر شده باشد، سیال در نزدیکی دیواره به حالت شبه گاز و در قسمت مرکزی لوله به حالت شبه مایع در می آید .در این حالت دمای لایه های نزدیک دیواره به دمای شبه بحرانی رسیده و باعث تغییرات بسیار زیاد در خواص سیال میشود. یکی از این تغییرات کاهش چشمگیر چگالی میباشد. لذا....(ادامه دارد)
(الف) در شار حرارتی کوچک (ب) در شار حرارتی بزرگ
با توجه به نتایج فوق، یاماگاتا ] [ رفتار ضریب انتقال حرارت را در ارتباط با فشار و دما همانند رفتار ظرفیت گرمای ویژه دانست . همچنین یاماگاتا ] [ با بررسی جریانها با جهات مختلف ، جریان افقی ، جریان عمودی رو به بالا ، جریان عمودی رو به پایین ، به این مطلب دست یافت که در شار حرارتی کوچک ، تفاوت محسوسی بین ضرایب انتقال حرارت در جهات مختلفی وجود ندارد . (شکل (2-3-الف ) ) . در حالی که با افزایش شار حرارتی و یا کاهش شار جرمی این اختلافات افزایشی می یابد (شکل (2-3- ب ). وی این تفاوتها بین منحنی های ضرایب انتقال حرارت در شارهای حرارتی بالا( نسبت به شار جرمی ) را به اثر شناوری استناد داد .
یاماگاتا با استفاده از داده های آزمایشگاهی خود نهایتاً به این نتیجه دست یافت که در شار حرارتی پایین ( نسبت به شار جرمی ) ، انتقال حرارت در نزدیکی خط شبه بحرانی افزایش می یابد . و در شار حرارتی بالا اخلال انتقال حرارت اتفاق می افتد . آزمایشات یاماگاتا یکی از معروف ترین آزمایشات در زمینه انتقال حرارت به سیال فوق بحرانی می باشد به طوری که در اکثر مقالات از داده ها و نتایج وی به عنوان مرجع استفاده می شود .
آکرمان ] [ درلحظه شروع اخلال انتقال حرارت یک صدای شبیه به جوشش را شنید که بدین ترتیب وی در فشار های شبه بحرانی همانند یک پدید شبیه به بحران جوشش رفتار کرد. داده های ....(ادامه دارد)
4ـ1ـ مدل آشفتگی
همانطور که در فصل 2 ذکر شد مدلهای آشفتگی گوناگونی توسط دانشمندان جهت حل عددی مسئله انتقال حرارت به جریان آشفته سیال فوق بحرانی داخل لوله استفاده شده است. در سالهای اخیر با توجه به پیشرفت قابلیت کامپیوترها استفاده از مدلهای آشفتگی پیچیده همچون مدل -k افزایش یافته است. ولیکن همانطور که گفته شد استفاده از مدلهای آشفتگی بسیار پیچیدهتر نظیر مدل -k اغلب منجر به نتایج بهتر نسبت به مدلهای ساده پخش گردابهای نگردیده است. علت آنکه مدلهای آشفتگی پیشرفتهتری همچون مدل -k اغلب نمیتوانند منجر به نتایج قابل قبولی برای جریانهای فوق بحرانی شوند آن است که ثوابت و تقریبهای مورد استفاده در این مدلها اصولاً برای جریان سیالات با خواص ثابت یا خواص کم تغیّر بدست آمدهاند و بنابراین استفاده از این مدلها برای جریانهای فوق بحرانی که در آنها خواص به شدت در حال تغییر هستند منجر به خطاهای قابل ملاحظهای میشود.
لذا در اینجا نیز استفاده از مدلهای آشفتگی پخش گردابهای به مدلهای پیچیده همچون مدل -k ....(ادامه دارد)
برر سی اثر شتاب
دربخش (3ـ6) با حذف ترم های جابجایی از معادله اندازه حرکت (3ـ21) به معادلات (3ـ31) الی (3ـ33) رسیدیم .و با همان روشی که معادلات (3ـ20) الی (3ـ22) را حل کردیم می توان معادلات بدون شتاب را نیز حل کرد با این تفاوت که جهت بدست آوردن سرعت محوری u از روش صریح و همانند حل یک بعدی استفاده می شود.
با حل عددی این معادلات و مقایسه نتایج حاصل از آن با نتایج حل دو بعدی اصلی ( با حضور شتاب ) می توان به اثر شتاب در معادلات پی برد.
شکل (5ـ16) نمودارهای ضرایب انتقال حرارت را در دو حالت بدون در نظر گرفتن شتاب و با حضور شتاب نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود با حذف شتاب از معادلات حاکم، ضرایب انتقال حرارت بدست آمده کاهش می یابند. این کاهش در نزدیک
نقطه شبه بحرانی (500 Hbulk ) چشمگیر تر می شود . این قضیه نشان می دهد که اثر شتاب در ناحیه شبه بحرانی تقویت می یابد.
شکل (5ـ16): اثر حضور شتاب بر ضریب انتقال حرارت
همچنین با مقایسه این شکل با داده های آزمایشگاهی یاماگاتا ( شکل (5ـ12ـ ب)) می توان دریافت که عدم حضور شتاب نتایج را از داده های آ›مایشگاهی دورتر می کند. لذا این قضیه فرضیه محققانی را که معادلات را به صورت یک بعدی حل کرده و اثرات مقاطع پیشین را در حل عددی خود در نظر نمی گیرند کاملاً رد می کند.
در شارهای حرارتی بالا اثر شتاب باعث ایجاد پدیده اخلال می گردد. یعنی در یک لحظه در ناحیه شبه بحرانی کاهش شدیدی در انتقال حرارت اتفاق می افتد . در اینجا به دلیل ناتوانی مدل دو بعدی....(ادامه دارد)
فصل اول مقدمه
۱-۱-سیال فوق بحرانی
۱-۲-کاربردهای سیالات فوق بحرانی
مزایای روش scwo عبارتند از
۱-۳-شمای کلی انتقال حرارت
۱-۳-۱-خواص فیزیکی حرارتی
۱-۳-۲-انتقال حرارت در فشارهای فوق بحرانی
ـ اثر شناوری
ـ اثر شتاب حرارتی
فصل دوم مروری بر مطالعات گذشته
۲-۱- مقالات بازبینی
۲-۴-روشهای پیش بینی
۲-۵ اخلال انتقال حرارت
۲-۶ – اثر شتاب حرارتی
فصل سوم معادلات حاکم
۳-۱- معادلات لحظه ای حاکم
۳-۲- فرضیات ساده کننده
۳-۲- معادلات متوسط زمانی حاکم بر جریان
۳-۴ – شرایط مرزی
۳ـ۵ـ مدل یک بعدی
۳ـ۶ـ مدل ریاضی معادلات با حذف شتاب
فصل ۴ مدلسازی و حل عددی
۴ـ۱ـ مدل آشفتگی
۴ـ۲ـ ایجاد شبکه غیریکنواخت
۴ـ۳ـ روش حل عددی
فصل پنجم ارزیابی مدل و بررسی نتایج
۵ـ۱ـ پایداری حل عددی
۵ـ۲ـ اثر ضریب افزایش اندازه مشها
۵ـ۳ـ تأثیر مدل آشفتگی
۵ـ۴ـ اثر قطر لوله بر انتقال حرارت
اثر شار جرمی بر انتقال حرارت
اثر شار حرارتی
5ـ7ـ مقایسه نتایج حل عددی با دادههای آزمایشگاهی
5ـ8ـ بررسی اثر شتاب
نتیجه گیری و پیشنهادات
6ـ2ـپیشنهادات :
ماده ای است که هر گاه تحت تأثیر نیروی برشی قرار گیرد، هر چند این نیروی برشی کوچک باشد، به تغییر شکل خود ادامه می دهد و تا زمانی که نیروی برشی بر سیال اعمال می شود، تغییر شکل سیال ادامه پیدا خواهد کرد. اما جامد، اگر یک قطعه جامد الاستیک (کشسان) تحت تأثیر نیروی برشی معینی قرار گیرد، بلافاصله تغییر شکل معینی پیدا خواهد کرد. به محض حذف نیروی برشی، جسم جامد الاستیک به حالت اولیه خود بر می گردد. یعنی شکل خود را بازیابی می کند. در صورتی که سیال نمی تواند پس از حذف نیروی برشی به شکل اولیۀ خود برگردد و یا در واقع نمی تواند تغییر شکل خود را بازیابی کند. بنابراین سیال ماده ای است که تحت اثر نیروی برشی نمی تواند ساکن باقی بماند.
در شکل زیر نیروی برشی برای جسم جامد الاستیک نشان داده شده است.
در جامدات نیروی برشی متناسب است با
یا کرنش
Shear Stress تنش برشی
برای جامدات
ضریب سختی الاستیسیته
برای سیلات
صفحه بالایی با سرعت u در حال حرکت است
و صفحۀ پایین ساکن است.
شرایط انرژی
تغییرات بر حسب زمان
در این شکل یک سیال بین دو صفحه متحرک و ساکن قرار دارد، صفحۀ متحرک با سرعت ثابت U به سمت راست حرکت می کند، چون ذرات سیال به سطح جامد می چسبند، بنابراین لایه سیال مجاور با سطح جامد همراه با سطح جامد جابجا می شود. حرکت این لایه سیال روی لایه های دیگر سیال اثر می گذارد و باعث می شود که لایه های سیال روی یکدیگر حرکت کنند. تجربه نشان می د هد که در سیالات نیروی برشی متناسب با نرخ کرنش نسبت به زمان است.
یا
: ویسکوزیته(Viscosity) ( لزجت) مقاومت در مقابل جاری شدن
که تغییرات سرعت لایه های سیال در جهت عمود بر مسیر حرکت
را ضریب ویسکوزیته دینامیکی یا مطلق می نامند. اگر در سیالی رابطه بین تنش برشی با میزان کرنش خطی باشد (y-ax) سیال را نیوتنی می نامند و می گویند : سیال از قانون ویسکوزیته نیوتن تبیعت می کند.
(Newtons low Viscosity)
(گرادیان سرعت)
: ارتباط بین تنش برشی و نرخ تغییر شکل زاویه ای بوسیله قانون نیوتن نشان داده می شود.
سیالاتی مثل آب ، گاز ها ، بخار و محلولهائی کل حل شونده های با وزن مولکولی کم دارند و مایعات رفتار نیوتنی نشان می دهند اما مواد پلیمری مانند پلیمرهای مذاب ، محلول پلیمرها ، دوغاب ها مواد خمیری و غیره رفتار غیر نیوتنی نشان می دهند. در بعضی از این سیالات ممکن است تنش برشی علاوه بر میزان کرنش به مدت زمانی که سیال تحت تاثیر برش قرار گرفته بستگی داشته باشد در این مورد سیالاتی را که تنش برشی فقط به بستگی دارد سیالات غیر نیوتنی مستقل از زمان نامیده می شوند سیالاتی که در آنها نقش برشی علاوه بر میزان کرنش به مدت زمان برش نیز وابسته هستند سیالات غیر نیوتنی وابسته به زمان نامیده می شوند به عنوان مثال سیالات غیرنیوتنی مستقل از زمان در مقابل هم زدن نیروی مقاوم یکسانی اعمال می کنند در صورتی که سیالات غیر نیوتنی وابسته به زمان با گذشت زمان نیروی مقاوم متفاوتی اعمال کردند سیالات غیر نیوتنی وابسته به زمان رفتاری مطابق شکل زیر دارند.
سیالات غیر نیوتنی مستقل از زمان را به دسته های مختلفی تقسیم می کنند.
در سیالات power low رابطه بین تنش برشی و نرخ کرنش به صورت زیر است.
اگر که ما یک ثابت و n نیز مقداری ثابت و به نام شاخص ( اندیس ) رفتار سیال نامیده می شود.
اگر باشد سیال را شبه پلاستیکی نامند ( pseudo plastic ) در سیال شبه پلاستیکی ویسکوزیته ظاهری سیال با افزایش نرخ کرنش یا با افزایش سرعت همزدن سیال کاهش می یابد. اگر باشد سیال را pilatant ( دیلا ثالث ) می نامند در سیال دیلاتانت ویسکوزیته ظاهری با افزایش میزان برش افزایش پیدا می کند و اگر سیال را نیوتنی می نامند و ضریب خواهد بود ثابت و به بستگی نخواهد داشت. در سیالات بینگهام پلاستیک اگر نرخ کرنش از حد معینی تجاوز نکند سیال رفتار جامد مانندی دارد. برای اینکه سیال جریان پیدا کند لازم است که تنش برشی از یک مقدار معین که به آن تنش تسلیم (yield stress)
شامل 126 صفحه فایل word قابل ویرایش