مکانیک سیالات شاخه ای از فیزیک است که به مکانیک مایعات (مایعات ، گازها و پلاسما) و نیروهای وارد بر آنها مربوط می شود. مهندسی ، ژئوفیزیک ، اقیانوس شناسی ، هواشناسی ، اخترفیزیک و زیست شناسی.
می توان آن را به استاتیک مایعات ، مطالعه مایعات در حالت استراحت تقسیم کرد. و پویایی سیال ، بررسی تأثیر نیروها بر حرکت سیال. [1]: 3 این شاخه ای از مکانیک پیوستار است ، موضوعی که بدون استفاده از اطلاعات ساخته شده از اتمها ، ماده را مدل می کند. یعنی از نظر ماکروسکوپی ماده را مدل می کند تا میکروسکوپی. مکانیک سیالات ، به ویژه دینامیک سیالات ، یک زمینه فعال تحقیقاتی است که به طور معمول از نظر ریاضی پیچیده است. بسیاری از مشکلات تا حدی یا کاملاً حل نشده است و بهتر است با روش های عددی ، معمولاً با استفاده از رایانه ، برطرف شود. یک رشته مدرن ، به نام دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) ، به این رویکرد اختصاص یافته است. [2] سرعت سنجی تصویر ذرات ، یک روش تجربی برای تجسم و تجزیه و تحلیل جریان سیال ، همچنین از ماهیت بصری جریان سیال بسیار بهره می برد.
مقاله اصلی: تاریخچه مکانیک سیالات
مطالعه مکانیک سیالات حداقل به دوران یونان باستان برمی گردد ، زمانی که ارشمیدس استاتیک سیال و شناوری را بررسی کرد و قانون معروف خود را که اکنون به عنوان اصل ارشمیدس شناخته می شود ، فرموله کرد ، که در کار او در مورد اجسام شناور منتشر شده است - به طور کلی به نظر می رسد اولین کار مهم در زمینه مکانیک سیالات. پیشرفت سریع در مکانیک سیالات با لئوناردو داوینچی (مشاهدات و آزمایشات) ، Evangelista Torricelli (فشارسنج اختراع شد) ، Isaac Newton (ویسکوزیته مورد بررسی) و Blaise Pascal (تحقیق در مورد هیدرواستاتیک ، فرمول قانون پاسکال) آغاز شد و توسط دانیل برنولی با معرفی پویایی سیالات ریاضی در Hydrodynamica (1739).
جریان نامحدود بیشتر توسط ریاضیدانان مختلف (ژان لو Rond d'Alembert ، جوزف لوئیس لاگرانژ ، پیر سیمون لاپلاس ، سیمئون دنیس پواسون) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و جریان چسبناک توسط بسیاری از مهندسان از جمله Jean Léonard Marie Poiseuille و Gotthilf Hagen مورد بررسی قرار گرفت. توجیه بیشتر ریاضی توسط کلود لوئیس ناویر و جورج گابریل استوکس در معادلات ناویر - استوکس ارائه شد و لایه های مرزی مورد بررسی قرار گرفت (لودویگ پراندل ، تئودور فون کارمن) ، در حالی که دانشمندان مختلف مانند آزبورن رینولدز ، آندری کلموگوروف و جفری اینگرام تیلور درک ویسکوزیته و تلاطم سیال را بهبود بخشید.
استاتیک سیالات
مقاله اصلی: استاتیک سیالات
استاتیک سیال یا هیدرواستاتیک شاخه ای از مکانیک سیالات است که مایعات را در حالت استراحت مطالعه می کند. این مطالعه شامل شرایطی است که مایعات در تعادل پایدار در حالت استراحت هستند. و با پویایی مایع ، مطالعه مایعات در حال حرکت در تضاد است. هیدرواستاتیک توضیحات فیزیکی بسیاری از پدیده های زندگی روزمره را ارائه می دهد ، از جمله اینکه چرا فشار جو با افزایش ارتفاع تغییر می کند ، چرا چوب و روغن روی آب شناور می شوند و چرا سطح آب به هر شکلی که ظرف آن باشد ، همیشه مساوی است. هیدرواستاتیک برای هیدرولیک ، مهندسی تجهیزات ذخیره ، حمل و استفاده از مایعات اساسی است. همچنین به برخی از جنبه های ژئوفیزیک و اخترفیزیک (به عنوان مثال ، در درک زمین ساختی صفحه و ناهنجاری ها در میدان جاذبه زمین) ، هواشناسی ، پزشکی (در زمینه فشار خون) و بسیاری از زمینه ها مربوط است.
دینامیک سیالات
مقاله اصلی: پویایی سیالات
پویایی سیالات زیرشاخه مکانیک سیالات است که با جریان سیالات سروکار دارد - دانش مایعات و گازهای در حال حرکت. [3] پویایی سیالات ساختار منظمی را ارائه می دهد - که زیربنای این رشته های عملی است - که قوانین تجربی و نیمه تجربی حاصل از اندازه گیری جریان را در بر می گیرد و برای حل مشکلات عملی مورد استفاده قرار می گیرد. راه حل مسئله دینامیک سیالات معمولاً شامل محاسبه خصوصیات مختلف سیال مانند سرعت ، فشار ، چگالی و دما به عنوان توابع فضا و زمان است. این خود چندین زیرشاخه دارد ، از جمله آیرودینامیک [4] [5] [6] [7] (مطالعه هوا و گازهای دیگر در حال حرکت) و هیدرودینامیک [8] [9] (مطالعه مایعات در حال حرکت). پویایی سیالات طیف وسیعی از کاربردها را شامل می شود ، از جمله محاسبه نیروها و حرکات هواپیماها ، تعیین سرعت جریان جرم نفت از طریق خطوط لوله ، پیش بینی الگوهای در حال تکامل هوا ، درک سحابی ها در فضای بین ستاره ای و مدل سازی انفجارها. برخی از اصول دینامیکی سیال در مهندسی ترافیک و پویایی جمعیت استفاده می شود.
فرضیات
تعادل برای مقداری مقدار سیال یکپارچه در حجم کنترل محصور شده توسط یک سطح کنترل.
فرضیات ذاتی یک تیمار مکانیکی سیال برای یک سیستم فیزیکی را می توان با توجه به معادلات ریاضی بیان کرد. اساساً فرض می شود که هر سیستم مکانیکی سیال مطیع است:
پایستگی جرم
بقاء انرژی
حفظ حرکت
فرض پیوستار
به عنوان مثال ، فرض حفظ جرم به این معنی است که برای هر حجم کنترل ثابت (به عنوان مثال ، یک حجم کروی) - که توسط یک سطح کنترل بسته شده است - میزان تغییر جرم موجود در آن حجم برابر با سرعت جرم است در حال عبور از سطح از خارج به داخل است ، منهای سرعت عبور جرم از داخل به خارج. این را می توان به عنوان یک معادله در شکل انتگرال بیش از حجم کنترل بیان کرد. [10]: 74
فرض پیوسته ایده آل سازی مکانیک پیوستار است که تحت آن می توان مایعات را به صورت مداوم درمان کرد ، حتی اگر در مقیاس میکروسکوپی ، آنها از مولکول ها تشکیل شده باشند. تحت فرض پیوسته ، خواص ماکروسکوپی (مشاهده شده / قابل اندازه گیری) مانند چگالی ، فشار ، دما و سرعت انبوه در نظر گرفته می شود که به خوبی در عناصر حجمی "بی نهایت کوچک" تعریف شده اند - در مقایسه با مقیاس طول مشخصه سیستم ، کوچک است ، اما بزرگ در مقایسه با مقیاس طول مولکولی. خصوصیات سیال می توانند از یک عنصر حجمی به عنصر دیگر به طور مداوم متفاوت باشند و مقادیر متوسطی از خصوصیات مولکولی هستند. فرضیه پیوستار می تواند منجر به نتایج نادرست در برنامه هایی مانند جریان های سرعت مافوق صوت ، یا جریان های مولکولی در مقیاس نانو شود. [11] با استفاده از مكانيك هاي آماري مي توان مشكلاتي را كه فرضيه پيوستار براي آنها با شكست همراه است حل كرد. برای تعیین اینکه آیا فرضیه پیوستار اعمال می شود یا خیر ، عدد Knudsen ، تعریف شده به عنوان نسبت مسیر آزاد میانگین مولکولی به مقیاس طول مشخصه ، ارزیابی می شود. مشکلات مربوط به اعداد ناودسن زیر 0.1 را می توان با استفاده از فرضیه پیوستار ارزیابی کرد ، اما می توان از رویکرد مولکولی (مکانیک آماری) برای یافتن حرکت مایع برای اعداد بزرگتر نودسن استفاده کرد.
معادلات ناویر – استوکس
مقاله اصلی: معادلات ناویر - استوکس
معادلات ناویر - استوکس (به نام کلود-لوئیس ناویر و جورج گابریل استوکس نامگذاری شده اند) معادلات دیفرانسیلی هستند که تعادل نیرو را در یک نقطه معین درون سیال توصیف می کنند. برای سیال تراکم ناپذیر با میدان سرعت بردار {\ displaystyle \ mathbf {u}} \ mathbf {u} ، معادلات Navier-Stokes [12] [13] [14] [15]
{\ displaystyle {\ frac {\ partial \ mathbf {u}} {\ partial t}} + (\ mathbf {u} \ cdot \ nabla) \ mathbf {u} = - {\ frac {1} {\ rho} } \ nabla P + \ nu \ nabla ^ {2} \ mathbf {u}} {\ displaystyle {\ frac {\ partial \ mathbf {u}} {\ partial t}} + (\ mathbf {u} \ cdot \ nabla ) \ mathbf {u} = - {\ frac {1} {\ rho}} \ nabla P + \ nu \ nabla ^ {2} \ mathbf {u}}.
این معادلات دیفرانسیل همانند مواد تغییر شکل پذیر معادلات حرکت نیوتن برای ذرات است - معادلات ناویر - استوکس تغییرات در حرکت (نیرو) را در پاسخ به فشار {\ displaystyle P} P و ویسکوزیته توصیف می کند ، که توسط ویسکوزیته حرکتی {\ displaystyle پارامتر شده است \ nu} \ nu اینجا گاهی اوقات ، نیروهای بدن ، مانند نیروی جاذبه یا لورنتس به معادلات اضافه می شوند.
راه حل های معادلات ناویر - استوکس را برای یک مسئله فیزیکی معین باید با کمک حساب محاسبه کنید. از نظر عملی ، فقط ساده ترین موارد را می توان دقیقاً از این طریق حل کرد. این موارد معمولاً شامل یک جریان ثابت و ناآرام است که تعداد رینولدز در آن کم است. برای موارد پیچیده تر ، به ویژه مواردی که تلاطم دارند ، مانند سیستم های آب و هوایی جهانی ، آیرودینامیک ، هیدرودینامیک و موارد دیگر ، راه حل های معادلات Navier-Stokes در حال حاضر تنها با کمک رایانه یافت می شود. این شاخه از علم را دینامیک سیالات محاسباتی می نامند. [16] [17] [18] [19] [20]
مایعات نامحسوس و چسبناک
یک سیال نامرغوب فاقد ویسکوزیته است ، {\ displaystyle \ nu = 0} {\ displaystyle \ nu = 0}. در عمل ، یک جریان نامرغوب یک ایده آل سازی است ، روشی که درمان ریاضی را تسهیل می کند. در حقیقت ، جریانهای کاملاً نامرغوب فقط در مورد رواناب بودن شناخته می شوند. در غیر این صورت ، مایعات معمولاً چسبناک هستند ، خاصیتی که اغلب در یک لایه مرزی نزدیک به یک سطح جامد بسیار مهم است ، [21] جایی که جریان باید با شرایط لغزش در ماده جامد مطابقت داشته باشد. در برخی موارد ، می توان ریاضیات یک سیستم مکانیکی سیال را با فرض نامحسوس بودن سیال خارج از لایه های مرزی ، و سپس تطبیق محلول آن با آن برای یک لایه مرزی لایه ای نازک ، درمان کرد.
برای جریان سیال از یک مرز متخلخل ، سرعت سیال می تواند بین سیال آزاد و سیال در محیط متخلخل ناپیوسته باشد (این مربوط به شرایط Beavers و Joseph است). بعلاوه ، فرض بر اینکه غیر قابل فشردگی گاز است ، در سرعتهای زیر صوت پایین مفید است - یعنی چگالی گاز تغییر نمی کند حتی اگر سرعت و فشار استاتیک تغییر کند.
مایعات نیوتنی در مقابل مایعات غیر نیوتنی
مایعی نیوتنی (به نام ایزاک نیوتو)
http://alexispesc98530.blogocial.com/etabs-webl-32633554
http://archerdobl31974.bloguetechno.com/etabs-webl-32440417
http://lukaslykv75208.ampblogs.com/etabs-webl-34079077
http://andrexjvg19742.blogolize.com/etabs-webl-36712374
http://riverdqbm42975.tinyblogging.com/etabs-webl-38824257
پنجمین کنفرانس بین المللی مطالعات نوین مهندسی عمران، معماری، شهرسازی و محیط زیست در قرن ۲۱