توضیحات
جزوه مکانیک سیالات
اهمیت
• سیالات برای زندگی ضروری است:
– %55بدن انسان آب است.
– ⅔ سطح زمین از آب پوشیده شده است.
– اتمسفر زمین تا 17کیلومتر بالاتر از سطح زمین امتداد دارد.
• تاریخ بشر در اثر سیالات متحول شده است:
– زمین ریخت شناسی (Geomorphology)
– مهاجرت و تمدن بشر
– روشها و تئوریهای ریاضیات و علوم جدید
– -جنگ افزارها
• تاثیر بر روی تمامی بخشهای زندگی
چرا مکانیک سیالات را مطالعه می کنیم؟
دینامیک سیالات محاسباتی
(Computational Fluid Dynamics-CFD)
• CFDاستفاده از روشهای محاسباتی برای حل سیستمهای مهندسی سیالات است که مدلسازی ریاضی و فیزیکی ( و روشهای حل عددی ) تحلیلگرها، المان محدود،
تولید کننده شبکه ها، ….( را شامل می شود.
• پس از اختراع کامپیوتر، روشهای عددی به سرعت پیشرفت کرده اند.
نقش ایرانیان در مهندسی آب
نقش پیشاهنگ ایرانیان در بهره برداری از آبهای زیر زمینی با ابداع و احداث بیش از 54000قنات کم و بیش شناخته شده است.
قنات (کاری)که توسط مقنیان ایرانی اختراع شده هزاران سال قدمت دارد. قدمت بسیاری از قناتهای ایران از پنج یا شش هزار سال متجاوز است و عمری برابر با تاریخ کهن ایران دارد.
قنات مجموعه ای از چند میله و یک کوره )یا کوره های( زیر زمینی که با شیبی کمتر از شیب سطح زمین، آب موجود در لایه یا لا یه های آبدار مناطق مرتفع زمین یا رودخانه ها یا مردابها و برکه ها را به کمک نیروی ثقل و بدون کاربرد نیروی کشش و هیچ نوع انرژی الکتریکی یا حرارتی با جریان طبیعی جمع آوری میکند و به نقاط پست تر می رساند.
آقای گوبلو، دانشمند فرانسوی که حدود بیست سال در ایران اقامت داشته وقتی به وطن خود (فرانسه) برمی گردد موضوع دکترای خود را قنات انتخاب می کند.
او با سفرهای متعدد به مناطق مختلف جهان و با استفاده از 534منبع علمی، تحقیقی، کتاب یا تز دکترای خود را تحت عنوان قنات فنی برای دست یابی به آب در ایران می نویسد.
او در این نوشته ی خود ثابت می کند که قنات اختراع ایرانیان است و ده ها قرن هم قدمت دارد در حالی که چینی
فن قنات را چند قرن پس از ایرانیان آموخته اند. پرآب ترین قنات ایران، قنات اکبرآباد فسا است و قدیمی ترین قنات ایران، قنات ابراهیم آباد اراک می باشد.
عجیب ترین قنات ایران، قنات دوطبقه ی مون اردستان است که حدود 800سال پیش احداث شده است. این قنات چاه های مشترک ولی مادر چاه ها و مظهر متفاوت دارد.
سد سازی
در مدیریت آبهای سطحی و سد سازی نیز مهندسان ایرانی دستاوردهای عظیمی داشته اند.
– بیش از 75سد تاریخی در ایران شناسایی شده که 21سد ارتفاع بلندتر از 15متر دارند طبق تعریف سد بزرگ. این رکورد جهانی
است و ایران رکورد دار احداث سدهای تاریخی بلند در جهان است.
– اسپانیا با 10سد تاریخی بلند تر از 15متر در رده دوم است. در حقیقت برای 1700سال بلندترین سدهای قوسی جهان در ایران احداث شده بودند.
– سد کریت بلندترین سد جهان از قرن 14تا اوایل قرن 20محسوب می گردید. این سد با ارتفاع 60متر بلندترین سد جهان برای مدت 550سال بوده است که اهل فن آن را بارزترین و البته ناشناخته ترین دستاورد صنعت گذشته سدسازی ایران می دانند.
-سد کریت با عرض تاج 1/2متر، هنوز هم مغرورانه عنوان نازکترین سد جهان را با خود دارد. این سد فاقد سرریز بوده و برآورد میشود که بیش از هزار روگذری سیلاب را تجربه نموده است.
حدود 150سال قبل چهار متر به ارتفاع بند افزوده شده که این افزایش سبب جلوگیری از متروکه شدن این بند شده است.
– ارتفاع قسمت بیرونی بند از کف رودخانه 52متر، عمق حوضچه آبگیر 20متر، طول آن در قسمت تاج 52متر و ضخامت تاج آن تنها 1/2متر بوده و در چهار مرحله احداث شده است.
– از ویژگی های منحصر به فرد این بنا که هنر سدسازی ایرانیان را آشکار می کند قوسی بودن آن دانست. بندهای قوسی مقاومت بیشتری در مقابل فشارهای ناگهانی، زلزله و حوادث طبیعی دارد.
– از 2000سال پیش تا اوایل قرن بیستم، بلندترین سدهای قوسی جهان ایزد خواست فارس، کبار قم، کریت طبس در ایران احداث شده بودند.
در این میان سد کریت طبس به ارتفاع شصت متر یکی از بزرگترین شاهکارهای صنعت مهندسی ساختمان به شمار میرود.
زلزله سال 1357طبس با شدت هفت و هشت دهم ریشتر و حداکثر شتاب 0/75نیز موجب خسارات عمده ای به سد نشده است.
– رئیس اسبق کمیته بین المللی سدهای بزرگ، سد کریت را »شگفت آورترین دست آورد بشر در قرون وسطی« نامیده است.
سازه های آبی شوشتر
سازه های آبی شوشتر در دوران ساسانیان، جهت بهره گیری از نیروی آب به عنوان محرک آسیابهای صنعتی ساخته شده است.
– مجموعه آبشارهای شوشتر تنها سازه های آبی- باستانی موجود در ایران است که از زمان ساسانیان برجای مانده است و آنها دراین مجموعه روشهای باستانی ویژه ای برای بردن
آب رودخانه کارون به همه جای شهر شوشتر و حتی به شهرهای دیگر به کار برده اند.
– درون محوطه آبشارها، حدود 40آسیاب وجود داشت که این آسیاب ها در بخش شمالی، شرقی و غربی قرار داشتند. از آسیاب ها برای تهیه آرد استفاده می شد.
– در این مجموعه بزرگ، ساختمان آسیابها، آبشارها، کانالها و تونلهای عظیم هدایت آب قابل توجه و جالب هستند.
–یکی از مناطق زیبا و دیدنی در این مجموعه، محوطه سیکا می باشد که تا چند سال پیش اهالی شهر از آن بعنوان تفریحگاه استفاده می کردند.
–در سفرنامه مادام ژان دیولافوآ باستان شناس نامدار فرانسوی از این محوطه به عنوان بزرگ ترین مجموعه صنعتی پیش از انقلاب صنعتی یاد شده است.
سیال
سیال ماده ای است که اگر تحت تاثیر تنش برشی مماسی قرار گیرد بطور پیوسته تغییر شکل می دهد، هر چند تنش برشی اندک باشد.
مکانیک سیالات رفتار سیالات ساکن staticیا متحرک dynamic را بررسی می کند. سیال حالات مایع liquidو گاز gas یا بخار را شامل می گردد.
محیط پیوسته: Continuum
به جای تلفیق پیچیده اثرات واقعی ملکولهای مجزا از توزیع پیوسته فرضی ماده (محیط پیوسته) استفاده می شود. روش محیط پیوسته هنگامی که مسیر متوسط آزاد ملکولها mean free path با کوچکترین طول با معنی مسئله هم مرتبه باشد بکار نمی آید (مثلا در حالتی که مقدار گاز کمی در محفظه بزرگی وجود دارد).
مسیر متوسط آزاد ملکولها متوسط فاصله ای است که ملکولهای سیال بین دو برخورد متوالی طی می کنند.
تراکم پذیر
compressible
تراکم ناپذیر (جرم مخصوص ثابت)
Incompressible
(Dimension) ابعاد
| Quantity | Dimension | International System of Units (SI)* | U.S. Customary System (USCS) | cgs (سانتی متر-گرم-ثانیه) |
| )Length( طول | L | meter, m | foot, ft | Cm |
| )Mass( جرم | M | kilogram, kg | slug, slug / pound mass, lbm | gram, g |
| (Time) زمان | T | second, s | second, s | second, s |
| حرارت درجه )Temperature( | | Kelvin, K | Rankin, R | Kelvin, K |
PRIMARY UNITS ابعاد اصلی
اختصاراتی است که برای بیان نمودهای جسم استفاده می شود. ابعاد مستقل را ابعاد اصلی ( )primary unitsو بقیه ابعاد را ابعاد فرعی یا ثانویه ( )secondary unitsمی نامند
اسلاگ مقدار جرمی است که تحت اثر 1 lbfشتابی برابر 1 ft/s2می گیرد (**.)1 slug = 32.2 lbm g= 9.81 m/s2=32.2 ft/ss
( lbپوند) یا ( lbmپوند جرم) مقدار ماده ای است که سطح زمین آنرا با نیروی 1 lbfبه طرف خود می کشد (وزن آن 1 lbfاست.)
یک پوند جرم برابر 0/453کیلوگرم و یک پوند نیرو برابر 4/448نیوتن است. نیرو از ابعاد فرعی بوده و به ترتیب در سیستم USCS ،SIو cgsاز واحد نیوتن Nپوند نیرو lbfو دین dyne,dyn
استفاده می شود. البته می توان به جای جرم از نیرو به عنوان واحد اصلی استفاده کرد.
Secondary Units ابعاد
واحدهای فرعی زیادی وجود دارند که از ترکیب واحدهای اصلی تولید می شوند. مهمترین واحدهای فرعی در مکانیک سیالات عبارتند از:
| Quantity | SI Unit | Dimension |
| (velocity) سرعت | m/s | LT-1 |
| (acceleration) شتاب | m/s2 | LT-2 |
| (force) نیرو | N kg m/s2 | M LT-2 |
| (energy/work) انرژی/کار | Joule J N m, kg m2/s2 | ML2T-2 |
| (power) توان | Watt W N m/s kg m2/s3 | ML2T-3 |
| (pressure/stress) فشار/تنش | Pascal P, N/m2, kg/(m.s2) | ML-1T-2 |
| kg/m3 | ML-3 | جرم مخصوص یا چگالی )(density |
| (specific weight) وزن مخصوص | N/m3 kg/(m2.s2) | ML-2T-2 |
| 1 بی بعد | بدون واحد | چگالی نسبی )(relative density |
قانون همگنی ابعادی
معادلات اساسی فیزیک از نظر ابعادی همگن هستند. معادله همگن معادله ای است که از عملیات تحلیلی بدست آمده و مبین یک پدیده فیزیکی باشد و در تمام سیستمهای آحاد معتبر است.
دانستن بعد کمیتها جهت تبدیل واحدها از یک سیستم به سیستم دیگر ضروری است.
قانون لزجت نیوتن
در یک جریان آرام ( )Laminar flowکه ذرات سیال در خطوط مستقیم و موازی حرکت می کنند، در سیالات نیوتنی Newtonian Fluidsتنش برشی بر روی سطحی مماس بر امتداد جریان متناسب است با میزان تغییر سرعت در امتداد عمود بر آن سطح سیالات نیوتنی Newtonianو غیر نیوتنی NO سیالات نیوتنی بر خلاف سیالات غیر نیوتنی سیالاتی هستند که در آنها نسبت تنش برشی و نرخ کرنش برشی خطی است.در کنار سیالات نیوتنی که اکثر مایعات ساده و گازها را شامل می شوند، سیالاتی وجود دارند خمیر ،pasteدوغاب ،slurry گریس ،grease پلیمرهای بلند …،high polymerکه رابطه تنش و نرخ
کرنش در آنها خطی نیست.
Perfect Gas گاز کامل
گاز کامل سیالی است که اثرات متقابل ملکولهای سیال صرفا ناشی از برخوردهای کاملا الاستیک باشد.
قانون آووگادرو ()Avogadro’s law
یک مول از کلیه گازها ( )n =1در شرایط متعارف ( 22 /4 )P=1 atm, T=273 okلیتر حجم را اشغال می کند. 6 /02 × 1023ملکول گاز برابر با جرم ملکولی آن (مثلا 32 gاکسیژن )O2 دو محفظه گاز را در شرایط یکسان دما، فشار و حجم در نظر می گیریم: اما تعداد ملکولهای دو ظرف برابر است (بر مبنای قانون آووگادرو حجمهای مساوی از گازها در شرایط یکسان دما و فشار مطلق تعداد ملکول یکسانی دارند
(Vapor pressure) فشار بخار
وقتی تبخیر مایعات در یک محیط محصور صورت گیرد، ملکولهای بخار فشاری جزئی در فضا وارد می کنند که در حالت تعادل به عنوان فشار بخار شناخته می شود. حالت تعادل وضعیتی است که تعداد ملکولهای برخورد کننده به سطح مایع که وارد مایع می شوند برابر با تعداد ملکولهای جدا شونده از سطح مایع باشند. از آنجایی که فعالیت ملکولی تابعی از دما است، فشار بخار سیال نیز بستگی به دما داشته و با افزایش دما زیاد می شود. زمانی که فشار روی مایع برابر فشار بخار مایع باشد، مایع می جوشد. مثلا اگر فشار به حد کافی کاهش یابد آب در دمای اطاق می جوشد در حالی که در فشار طبیعی ( 1اتمسفر) آب در دمای 100درجه می جوشد (در نقاط مرتفع نقطه جوش کمتر از 100درجه اما در زودپز بیشتر از 100درجه است)
(Cavitation) خلا زای
اگر تبدیل مایع به گاز صرفا ناشی از افزایش دما باشد آن را تبخیر ( )Evaporationمی نامند و چنانچه در اثر کاهش فشار روی دهد (فشار سیال از فشار بخار کمتر گردد) خلا زایی ( )Cavitationنامیده می شود. خطر خلا زایی در ورودی پمپها و خروجی توربین ها وجود دارد. نقاط خلا ایجاد شده توسط جریان به مناطق با فشار بالاتر منتقل شده و به سرعت پر می شوند که به کاهش راندمان و خوردگی فلزات منجر می شود.
(Surface tension) کشش سطحی
پدیده کشش سطحی ناشی از اختلاف جاذبه بین ملکولهای یکسان (پیوستگی- )Cohesionو جاذبه بین ملکولهای غیر یکسان (چسبندگی- )Adhesionاست.
در داخل مایع، نیروهای پیوستگی یکدیگر را خنثی می کنند ولی در سطح آزاد مایع نیروهای پیوستگی که از پایین اثر می کنند از نیروهای چسبندگی محل تماس مایع و گاز بیشتر می شود. بدلیل تفاوت این نیروها مرز دو سیال شبیه یک پوسته تحت کشش عمل می کند.* درنتیجه به مولکول های روی سطح مایع نیروی خالصی به سمت درون وارد می شود که این نیرو با مقاومت مایع در برابر فشرده شدن خنثی می شود. در نتیجه، نیرویی در مایع به وجود می آید که می خواهد سطح مایع را کم کند. از همین رو سطح مایع به شکل ورقه ای الاستیک عمل می کند و آن قدر جمع می شود که کمترین سطح ممکن را داشته باشد.
نقد و بررسی‌ها
هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.