کامل ترین مقاله درباره مکانیک سیالات یا مکانیک شاره‌ها

کامل ترین مقاله درباره مکانیک سیالات یا مکانیک شاره‌ها

مکانیک سیالات یا مکانیک شاره‌ها (به انگلیسی: Fluid mechanics) شاخه‌ای از فیزیک است که به بررسی سیالات (مایعات، گازها و پلاسما) و نیروهای آنها می‌پردازد. این رشته در طیف گسترده‌ای از رشته‌ها، از جمله مهندسی مکانیک، مهندسی عمران، مهندسی شیمی و زیست‌پزشکی، ژئوفیزیک، اقیانوس‌شناسی، هواشناسی، اخترفیزیک و زیست‌شناسی کاربرد دارد.

مکانیک سیالات را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد: استاتیک سیالات که مطالعه سیالات در حال سکون است و دینامیک سیالات که مطالعه سیالات و اثر نیروها بر روی آنها در حال حرکت است.

 این رشته شاخه‌ای از مکانیک محیط‌های پیوسته است، که در آن ماده در سطح ماکروسکوپی مدل می‌شود و نه میکروسکوپی. مکانیک سیالات، به ویژه دینامیک سیالات، یک زمینه تحقیقاتی فعال است که به‌طور معمول از نظر ریاضی پیچیده‌است. بسیاری از مسئله‌ها تا حدی یا کاملاً حل نشده‌است و بهتر است با روش‌های عددی، معمولاً با استفاده از رایانه، حل شوند. یک رشته مدرن، به نام دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، به این روش اختصاص یافته‌است.

                      مکانیک سیالات

برای مثال، فرض حفظ جرم به این معنی است که برای هر حجم کنترلی ثابت (مثلاً یک حجم کروی) – محصور در یک سطح کنترل – نرخ تغییر جرم موجود در آن حجم برابر با سرعتی است که در آن جرم است. عبور از سطح از خارج به داخل، منهای سرعت عبور جرم از داخل به خارج. این را می توان به عنوان یک معادله به شکل انتگرال بر روی حجم کنترل بیان کرد.: 74.

فرض پیوسته ایده‌آلی‌سازی مکانیک پیوسته است که در آن سیالات را می‌توان پیوسته در نظر گرفت، حتی اگر در مقیاس میکروسکوپی از مولکول‌ها تشکیل شده باشند. تحت فرض پیوستگی، ویژگی‌های ماکروسکوپی (مشاهده‌شده/قابل اندازه‌گیری) مانند چگالی، فشار، دما، و سرعت توده‌ای در عناصر حجمی «بی‌نهایت کوچک» به خوبی تعریف می‌شوند – در مقایسه با مقیاس طول مشخصه سیستم، اما در مقایسه با مقیاس طول مولکولی بزرگ است. خواص سیال می تواند به طور مداوم از یک عنصر حجمی به عنصر دیگر متفاوت باشد و مقادیر متوسط ​​خواص مولکولی هستند. فرضیه پیوستار می‌تواند منجر به نتایج نادرست در کاربردهایی مانند جریان‌های سرعت مافوق صوت، یا جریان‌های مولکولی در مقیاس نانو شود.

آن دسته از مسائلی که فرضیه پیوستار شکست می خورد را می توان با استفاده از مکانیک آماری حل کرد. برای تعیین اینکه آیا فرضیه پیوستار اعمال می شود یا خیر، عدد نادسن، که به عنوان نسبت مسیر آزاد متوسط ​​مولکولی به مقیاس طول مشخصه تعریف می شود، ارزیابی می شود. مسائل مربوط به اعداد نادسن زیر 0.1 را می توان با استفاده از فرضیه پیوستار ارزیابی کرد، اما رویکرد مولکولی (مکانیک آماری) را می توان برای یافتن حرکت سیال برای اعداد نادسن بزرگتر به کار برد.

مطلب پیشنهادی :

مجموعه فرمولهای مکانیک سیالات

استاتیک سیالات

استاتیک سیالات یا هیدرواستاتیک، شاخه‌ای از مکانیک سیالات است که سیالات را در حالت سکون مطالعه می‌کند. این مطالعه شامل شرایطی است که مایعات ساکن در تعادل پایدار هستند؛ و با دینامیک سیالات، که مطالعه سیالاتِ در حال حرکت است، در تضاد قرار دارد. هیدرواستاتیک توضیحات فیزیکی بسیاری از پدیده‌های زندگی روزمره را ارائه می‌دهد، از جمله اینکه چرا فشار جو با افزایش ارتفاع تغییر می‌کند، چرا چوب و روغن روی آب شناور می‌شوند و چرا سطح آب با وجود شکل ظرف‌های مختلف همیشه مسطح است. علم هیدرواستاتیک برای علم هیدرولیک اساسی است. همچنین به برخی از جنبه‌های ژئوفیزیک و اخترفیزیک (به عنوان مثال، در درک زمین‌ساخت صفحه‌ای و ناهنجاری‌ها در میدان جاذبه زمین)، هواشناسی، پزشکی (در زمینه فشار خون) و بسیاری از زمینه‌های دیگر مربوط می‌شود.

سیالات غیر لزج و چسبناک

یک سیال غیر لزج ویسکوزیته ندارد، {\displaystyle \nu =0}{\displaystyle \nu =0}. در عمل، یک جریان غیر لزج یک ایده آل سازی است، جریانی که درمان ریاضی را تسهیل می کند. در واقع، جریان‌های کاملاً غیر لزج تنها در مورد ابرسیالیت شناخته شده‌اند. در غیر این صورت، سیالات عموماً چسبناک هستند، خاصیتی که اغلب در داخل یک لایه مرزی نزدیک یک سطح جامد مهم است،  که در آن جریان باید با شرایط بدون لغزش در جامد مطابقت داشته باشد. در برخی موارد، ریاضیات یک سیستم مکانیکی سیالات را می‌توان با فرض اینکه سیال خارج از لایه‌های مرزی نامرغوب است، و سپس تطبیق محلول آن با محلول آن برای یک لایه مرزی نازک بررسی می‌شود.

برای جریان سیال بر روی یک مرز متخلخل، سرعت سیال می تواند بین سیال آزاد و سیال در محیط متخلخل ناپیوسته باشد (این به شرایط بیورز و جوزف مربوط می شود). علاوه بر این، در سرعت‌های مادون صوت پایین، فرض اینکه گاز تراکم‌ناپذیر است مفید است – یعنی چگالی گاز تغییر نمی‌کند حتی اگر سرعت و فشار استاتیکی تغییر کند.

مطلب پیشنهادی :

مجموعه فرمولهای مکانیک سیالات

دینامیک سیالات

دینامیک سیالات زیرشاخه مکانیک سیالات است که با جریان سیالات سرو کار دارد، به عبارتی دانش مایعات و گازهای در حال حرکت است. دینامیک سیالات ساختار منظمی را ارائه می‌دهد – که زیربنای این رشته‌های عملی است – که قوانین تجربی و نیمه تجربی حاصل از اندازه‌گیری جریان را در بر می‌گیرد و برای حل مشکلات عملی مورد استفاده قرار می‌گیرد. راه حل مسئله‌های دینامیک سیالات معمولاً شامل محاسبه خصوصیات مختلف سیال مانند سرعت، فشار، چگالی و دما به عنوان توابعی از فضا و زمان است. این شاخه خود چندین زیرشاخه دارد، از جمله آیرودینامیک(مطالعه هوا و سایر گازهای در حال حرکت) و هیدرودینامیک (مطالعه مایعات در حال حرکت).

 دینامیک سیالات طیف وسیعی از کاربردها را شامل می‌شود، از جمله محاسبه نیروها و حرکات هواپیماها، تعیین نرخ دبی جرمی نفت عبوری از درون خطوط لوله، پیش‌بینی الگوهای در حال تکامل هوا، درک سحابی‌ها در فضای بین ستاره‌ای و مدل‌سازی انفجارها. برخی از اصول دینامیک سیالات در مهندسی ترافیک و دینامیک جمعیت‌ها استفاده می‌شود.

سیال 

در فیزیک، یک مادهٔ شاره یا سَیّال (انگلیسی: Fluid)، یکی از حالت‌های وجود ماده است و شامل مایعات، گازها، پلاسما و تا حدی جامدات پلاستیک می‌شود. شاره ماده‌ای است که تحت اثر یک تنش برشی هر چند هم که کوچک باشد، بی وقفه تغییر شکل دهد. سایر مواد به جز مواد شاره (شاره‌ها) در این تعریف نمی‌گنجند. براساس یک تعریف جامع‌تر، شاره به ماده‌ای گفته می‌شود که تحت نیروی برشی به‌طور پیوسته تغییر شکل می‌دهد بدین معنا که تا زمانی که نیروی برشی به شاره وارد می‌گردد دائماً آن ماده تغییر شکل می‌دهد.

تمام شاره‌ها ویژگی روان شدن را دارند و بر خلاف جامدات در برابر تغییر شکل مقاومت نمی‌کنند (به اصطلاح رایج «شکل ظرفی را که در آن قرار دارند به خود می‌گیرند».) یکی دیگر از ویژگی‌های شاره‌ها چسبندگی یا لزجت می‌باشد. لزجت عامل پیوستگی ذرات شاره می‌باشد. هر چقدر شاره‌ای لزج‌تر باشد، ویژگی‌های شاره‌گونه آن کمتر است. (مانند عسل به طور مثال سخت‌تر روان می‌گردد)

مطلب پیشنهادی :

مجموعه فرمولهای مکانیک سیالات

معادلات حاکم

معادله‌های اساسی حاکم بر مکانیک سیالات، معادلهٔ پایستگی جرم (پیوستگی) و معادله پایستگی تکانه (یا همان معادلات ناویر ـ استوکس) می‌باشند.

حل معادلات مکانیک سیالات

با وجود ابداع معادلات حاکم بر دینامیک سیالات که تاریخچهٔ آن به بیش از ۱۵۰ سال می‌رسد، غیر از چند مورد خاص (همانند جریان بر روی صفحه تخت و جریان درون لوله‌ها در حالت آرام) حل تحلیلی برای این معادلات یافت نشده‌است. به جز چند حالت خاص اساسی مکانیک سیالات، بقیهٔ حل‌ها به صورت تجربی استخراج و استفاده می‌شود.

روش دیگر برای حل معادلات استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی می‌باشد.

منبع » ویکی پدیا

مطلب پیشنهادی :

مجموعه فرمولهای مکانیک سیالات