«دینامیک سیالات» یکی از دو شاخه مکانیک سیالات است که به مطالعه سیالات و حرکت مایعات و گازها و همچنین چگونگی تأثیر نیروها بر آنها می پردازد. (شاخه دیگر استاتیک سیالات است که با سیالات در حال سکون سروکار دارد.)

دانشمندان در چندین زمینه دینامیک سیالات را مطالعه و بررسی می کنند. دینامیک سیالات روش هایی را برای مطالعه سیر تکاملی ستارگان، جریان های اقیانوس، الگوهای آب و هوا، تکتونیک صفحات و حتی جریان گردش خون ارائه می دهد. برخی از کاربردهای مهم دینامیک سیالات در موتورهای موشکی، توربین های بادی، خطوط لوله نفت و سیستم های تهویه مطبوع است.

تفاوت بین دینامیک سیالات و مکانیک سیالات

دینامیک سیالات و مکانیک سیالات دو بخش بسیار مهم و مطالعاتی در علم فیزیک هستند. این مباحث در مورد موضوعاتی مانند مهندسی دریا، هوانوردی، امور نظامی، مهندسی عمران و رشته های مختلف دیگر اهمیت زیادی دارند. مکانیک سیالات و دینامیک سیالات را می توان به عنوان یک رشته کاملاً جدید از مکانیک کلاسیک در نظر گرفت که احتمال و ترمودینامیک نقش بسیار مهمی در آنها دارند. برای اینکه درک کاملی از جنبه‌های مکانیک سیالات و دینامیک سیالات داشته باشید باید دانش خوبی در مباحث بقای انرژی، میدان‌های برداری و حتی ترمودینامیک آماری به دست آورید. در این قسمت قصد داریم مکانیک سیالات و دینامیک سیالات، اصول پایه گذاری، شباهت ها، کاربردها و در نهایت تفاوت های آنها را مورد بحث قرار دهیم.

مکانیک سیالات

سیال به عنوان گاز یا مایع تعریف می شود. بنابراین مکانیک سیالات مطالعه رفتار مایعات و گازها را شامل می شود. به بیان دقیق‌تر، مکانیک سیالات، مطالعه سیالات و نیروهای وارد بر آنها است. این بخش از مکانیک، دارای سه زمینه اصلی بوده که عبارتند از استاتیک سیال که سیالات را در حالت سکون بررسی می کند؛ سینماتیک سیالات که حرکات سیالات را بررسی می کند و دینامیک سیالات که اثرات نیروها بر حرکت سیال را بررسی می کند. اما همانطور که می دانیم مایعات و گازها حالت ثابت و پایداری ندارند. همیشه یک حرکت یا جنبش تصادفی به دلیل تحریک حرارتی در گازها و مایعات وجود دارد. با این حال، تحریک حرارتی گازها بیشتر از مایعات است.

یکی از بنیان‌گذاران مکانیک سیالات ارشمیدس بود. اصل شناوری ارشمیدس که بسیار هم معروف است، یکی از اولین اصول در مکانیک سیالات بود. بعدها، دانشمندان برجسته ای مانند لئوناردو داوینچی (Leonardo da Vinci)، اوانجلیستا توریچلی (Evangelista Torricelli)، آیزاک نیوتن (Isaac Newton)، بلز پاسکال (Blaise Pascal)، دانیل برنولی (Daniel Bernoulli) و ریاضیدانان برجسته ای مانند اویلر (Euler)، دالامبر (d’Alembert)، لاگرانژ (Lagrange)، پواسون (Poisson) و لاپلاس (Laplace) سهم قابل توجهی در مطالعه و بررسی مکانیک سیالات داشتند. بخش مربوط به ویسکوزیته بعدها توسط پوازوی (Poiseuille)، هاگن (Hagen)، ناویر (Navier) و استوکس (Stokes) توسعه یافت.

با توجه به اهمیت درس مکانیک سیالات در رشته های مهندسی، فرادرس، آموزش جامعی را در این حوزه منتشر کرده که در لینک زیر قابل مشاهده است:

آموزش درس مکانیک سیالات - مرور و حل تست کنکور ارشد — کلیک کنید

دینامیک سیالات

دینامیک سیالات زیر شاخه ای از مکانیک سیالات است. دینامیک سیالات تأثیر نیروها بر حرکت سیال را بررسی می کند. مهم ترین و قابل توجه ترین معادلات در دینامیک سیالات معادله برنولی است که توسط دانیل برنولی (Daniel Bernoulli) مطرح شده است. این معادله برای یک سیال تراکم ناپذیر و غیر لزج در جریان ثابت و غیر متلاطم تعریف شده است. برای چنین سیالی، مجموع فشار هیدرواستاتیک، انرژی جنبشی در واحد حجم و انرژی پتانسیل در واحد حجم ثابت است. این موضوع را می توان برای هر خط جریان دلخواه در سیال اعمال کرد. با این حال، سیالات از این معادله تبعیت نمی کنند زیرا تراکم پذیر و چسبناک هستند. دیگر معادلات مهم دینامیک سیالات، معادلات ناویر - استوکس و قضیه انتقال رینولدز هستند. اساساً این معادلات، بقای جرم، بقای انرژی و بقای تکانه (مومنتوم) را به اشکال مختلف بیان می کنند. یکی از جنبه های دیگر و مهم دینامیک سیالات، آیرودینامیک است. هواپیماها از قضیه برنولی برای ایجاد اختلاف فشار بین قست بالایی و پایینی بال ها استفاده می کنند که این موضوع امکان پرواز را فراهم می کند. لازم به ذکر است که هیدرودینامیک نیز نقش مهمی در زندگی روزمره دارد. با توجه به مطالب ذکر شده، تفاوت بین مکانیک سیالات و دینامیک سیالات به صورت خلاصه به این شکل بیان می شود:

- مکانیک سیالات، سیالات را در هر دو حالت استاتیک و دینامیک بررسی می کند.

- دینامیک سیالات، یک بخش فرعی یا زیر شاخه ای از مکانیک سیالات است و فقط به تأثیر نیروها بر سیالات متحرک می پردازد.

سایر آموزش‌های فرادرس در رابطه با مکانیک سیالات در لینک زیر آمده است:

مجموعه آموزش مکانیک سیالات - مشاهده آموزش‌ها

جریان چیست؟

حرکت مایعات و گازها به طور کلی به عنوان «جریان» شناخته می شود؛ مفهومی که نحوه رفتار سیالات و نحوه تعامل آنها با محیط اطراف خود را توصیف می کند. به عنوان مثال، آب در حال حرکت از طریق یک کانال یا لوله، یا روی یک سطح، جریان نامیده می شود. جریان می تواند ثابت یا ناپایدار باشد. جی ام مک دوناف (J. M. McDonough)، استاد مهندسی در دانشگاه کنتاکی، در یادداشت های سخنرانی خود در مورد دینامیک سیالات مقدماتی، می نویسد: «اگر تمام ویژگی های یک جریان مستقل از زمان باشد، آنگاه جریان ثابت است، در غیر این صورت ناپایدار است». یعنی جریان های ثابت در طول زمان تغییر نمی کنند. یک مثال از جریان ثابت می تواند جریان آب در لوله با سرعت ثابت باشد. در طرف مقابل، سیل یا آبی که از یک پمپ دستی جاری است نمونه‌هایی از جریان ناپایدار هستند.

جریان سیال از حالتی به حالت دیگر متفاوت است و برای سهولت تجزیه و تحلیل آن، به انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شود. ویژگی‌های سیال مانند سرعت، فشار، چگالی و ویسکوزیته، نوع هر دسته را مشخص می‌کند. جریان آشفته و آرام دو دسته اصلی جریان هستند. بنابراین جریان می تواند آرام (Laminar) یا آشفته (Turbulent) باشد. جریان های آرام به آرامی و نرمی حرکت می کنند، در حالی که جریان های متلاطم آشفته تر هستند. یکی از عوامل مهم در تعیین وضعیت جریان سیال، ویسکوزیته (چسبندگی) یا غلظت آن است. وقتی که ویسکوزیته بالاتر باشد، تمایل جریان به آرام بودن را افزایش می دهد. پاتریک مک مورتری (Patrick McMurtry)، استاد مهندسی در دانشگاه Utah، در یادداشتی، در مورد جریان ها بیان می کند که ما به طور کلی به حرکت سیالی که در آن هر گونه اغتشاش به دلیل نیروهای چسبناک نسبتاً قوی وجود ندارد، جریان آرام یا یکنواخت می گوییم. در جریان های آشفته، نیروهای دیگری ممکن است در خنثی کردن اثر ویسکوزیته عمل کنند.

یک عامل مهم در تعیین نوع جریان سیال، عدد رینولدز (Re) سیال است که به افتخار آزبورن رینولدز دانشمند قرن نوزدهم، نامگذاری شده است؛ اگرچه اولین بار در سال 1851 توسط فیزیکدان جورج گابریل استوکس مطرح شد. مک دوناف (McDonough) تعریف عدد Re را به عنوان "نسبت نیروهای اینرسی به ویسکوزیته" توصیف می کند. نیروی اینرسی مقاومت سیال در برابر تغییر حرکت است و نیروی ویسکوزیته مقدار اصطکاک ناشی از ویسکوزیته یا غلظت سیال است. توجه داشته باشید که Re فقط یک ویژگی سیال نیست. بلکه بیان‌گر شرایط جریان مانند سرعت آن و اندازه و شکل مجرا می باشد.

جریان مایع

به بررسی و مطالعه در مورد جریان مایع، هیدرودینامیک می گویند. در حالی که مایعات دربرگیرنده انواع مواد مانند روغن و محلول های شیمیایی و ... هستند، اما رایج ترین مایع، آب است و بیشتر کاربردهای هیدرودینامیک پیرامون مدیریت جریان این نوع مایع است. از جمله این موارد می توان به کنترل سیل، بهره برداری از سیستم های آب و فاضلاب شهری و مدیریت راه های کشتیرانی است. هیدرودینامیک در درجه اول با جریان آب در لوله ها یا کانال های باز سروکار دارد. یادداشت های سخنرانی استاد زمین شناسی جان ساوتارد (John Southard) در یک دوره آنلاین با عنوان «مقدمه ای بر حرکت سیالات»، تفاوت اصلی بین جریان لوله و جریان کانال باز را تشریح می کند: «جریان ها در مجراها یا کانال های بسته، مانند لوله ها یا مجرای هوا، به طور کامل با مرزهای صلب در تماس هستند، در حالی که جریان های کانال باز، مواردی هستند که مرزهای آنها کاملاً یک ماده جامد و صلب نیست». او همچنین بیان می‌کند: «جریان‌های کانال باز مهم مانند رودخانه‌ها، جریان‌های جزر و مدی، کانال‌های آبیاری یا صفحات آبی هستند که پس از باران در سطح زمین جاری می‌شوند.»

جریان گاز

جریان گاز شباهت های زیادی به جریان مایع دارد، اما تفاوت های مهمی نیز دارد. اولاً، گاز قابل تراکم است، در حالی که مایعات به طور کلی تراکم ناپذیر در نظر گرفته می شوند. در کتاب «مبانی دینامیک سیال تراکم پذیر» نوشته P. Balachandran، سیال تراکم پذیر را توصیف کرده و بیان می کند: اگر چگالی سیال به طور محسوسی در سراسر میدان جریان تغییر کند، جریان ممکن است به عنوان یک جریان تراکم پذیر در نظر گرفته شود. در غیر این صورت، سیال غیر قابل تراکم لحاظ می شود. ثانیاً، جریان گاز به سختی تحت تأثیر گرانش قرار می گیرد.

گازی که در زندگی روزمره بیشتر با آن مواجه هستیم هوا است. بنابراین، دانشمندان توجه زیادی به شرایط جریان آن داشته اند. باد باعث حرکت هوا در اطراف ساختمان ها و سایر سازه ها می شود و همچنین می تواند توسط پمپ و فن به حرکت درآید.

اصل برنولی

به طور کلی، سیالی که با سرعت بالاتر حرکت می کند، فشار کمتری نسبت به سیالی که با سرعت پایین تر حرکت می کند، دارد. این پدیده برای اولین بار توسط دانیل برنولی (Daniel Bernoulli) در سال 1738 در کتاب خودش و با نام "هیدرودینامیک" مطرح شد و معمولاً به عنوان اصل برنولی شناخته می شود. می توان از این اصل برای اندازه گیری سرعت مایع یا گازی که در یک لوله یا کانال یا روی سطح حرکت می کند استفاده کرد. این اصل عامل بالا بردن بال هواپیما نیز می باشد و به همین دلیل است که هواپیماها می توانند پرواز کنند. از آنجایی که بال در پایین صاف و در بالا خمیده است، هوا باید مسافت بیشتری را در امتداد سطح بالایی نسبت به قسمت پایین طی کند. برای انجام این کار، باید از قسمت بالایی سریعتر حرکت کند که این موضوع منجر به کاهش فشار در قسمت بالای بال هواپیما می شود. این اختلاف فشار (هوای پرفشار در زیر بال قرار گرفته است) باعث پرواز هواپیما خواهد شد.

مسائل موجود در دینامیک سیالات

دانشمندان اغلب سعی می کنند جریان را با استفاده از اشکالی به نام خطوط جریان و مسیرها ترسیم کنند. مک دوناف (McDonough) خط جریان را این گونه تعریف می کند: «خط ممتد درون یک سیال به گونه ای که مماس در هر نقطه، جهت بردار سرعت در آن نقطه باشد». به عبارت دیگر، یک خط جریان جهت جریان را در هر نقطه خاصی از جریان نشان می دهد. اگر جریان در طول زمان تغییر نکند، مسیر، همان خط جریان خواهد بود. با این حال، در مورد جریان آشفته یا ناپایدار، این خطوط می توانند کاملاً متفاوت باشند. اکثر مسائل در دینامیک سیالات آنقدر پیچیده هستند که با محاسبه مستقیم قابل حل نیستند. در این موارد، مسائل باید با روش های عددی و با استفاده از شبیه سازی کامپیوتری حل شوند. این حوزه مطالعاتی، دینامیک سیالات عددی یا محاسباتی (CFD) نامیده می شود که ساوتارد (Southard) آن را به عنوان شاخه ای از علوم مبتنی بر کامپیوتر که پیش بینی های عددی جریان سیالات را ارائه می دهد، تعریف می کند. با این حال، از آنجایی که جریان متلاطم تمایل به غیرخطی و آشفتگی دارد، باید در تنظیم قوانین و شرایط اولیه برای این شبیه‌سازی‌ها دقت خاصی صورت گیرد. تغییرات کوچک در ابتدا می تواند منجر به تفاوت های بزرگ در نتایج شود. دقت شبیه‌سازی‌ها را می‌توان با تقسیم حجم به مناطق کوچک‌تر و استفاده از مراحل زمانی کوچک‌تر بهبود بخشید، اما این باعث افزایش زمان محاسبه می‌شود. به همین دلیل، CFD باید با افزایش قدرت محاسباتی پیشرفت کند.

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) چیست؟

دینامیک سیالات محاسباتی فرآیند مدل‌سازی ریاضی یک پدیده فیزیکی شامل جریان سیال و حل عددی آن با استفاده از قدرت محاسباتی است. هنگامی که یک مهندس وظیفه طراحی یک محصول جدید را بر عهده دارد، برای مثال، آیرودینامیک یک ماشین مسابقه، نقش مهمی در فرآیند مهندسی دارد. با این حال، فرآیندهای آیرودینامیکی در مرحله مفهومی به راحتی قابل اندازه‌گیری نیستند. معمولاً تنها راه مهندس برای بهینه سازی طرح های خود، انجام آزمایش های فیزیکی بر روی نمونه های اولیه محصول است. با ظهور کامپیوترها و قدرت محاسباتی روزافزون آنها (به لطف قانون مور!)، حوزه دینامیک سیالات محاسباتی به ابزاری کاربردی و رایج برای ارائه راه حل هایی برای جریان های سیال تبدیل شد. در یک نرم افزار آنالیز CFD، بررسی جریان سیال مطابق با ویژگی های فیزیکی آن مانند سرعت، فشار، دما، چگالی و ویسکوزیته انجام می شود. برای ایجاد راه حل دقیق برای یک پدیده فیزیکی مرتبط با جریان سیال، این ویژگی ها باید به طور همزمان در نظر گرفته شوند.

برای آشنایی بیشتر با دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، می‌توانید به از آموزش‌های فرادرس که در این زمینه منتشر شده است، استفاده کنید:

آموزش دینامیک سیالات محاسباتی ۱ CFD

آموزش شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی CFD در FLOW-3D

نتیجه گیری

با توجه به گستردگی مطالبی که در مباحث مهندسی مکانیک وجود دارد، برای آشنایی بیشتر و شروع یادگیری، نیاز به منابع آموزشی جامعی است که مسیر یادگیری را هموار کند. آموزش‌های فرادرس در این زمینه می‌توانند برای شما مفید باشند:

مجموعه آموزش دروس مهندسی مکانیک - دریافت آموزش‌ها

سلب‌ مسئولیت: مجله اینترنتی رایا مگ در تهیه‌ این محتوای تبلیغاتی نقش نداشته و مسئولیتی در قبال صحت آن ندارد.