تبلیغات


مهندسی شیمی طراحی فرایندهای صنایع نفت - خواص سیالات(تراکم پذیری- نیوتنی- جریان آرام...)


امروز :
مهندسی شیمی طراحی فرایندهای صنایع نفت

تغییر شکل به وسیله نیروی های برشی ( Shearing Forces ) ایجاد می شود. به عنوان مثال نیروی F ( شکل 1 ) که مماس بر سطحی می باشند که با آن در تماسند و باعث می شوند تا ماده از حالت اصلی خود که فضای ABCD را دارا می باشد به AB'C'D تغییر شکل پیدا کند.

و این باعث به وجود آمدن تعریف زیر می شود:

یک سیال ماده ای است که تحت تاثیر تنش برشی هرچند اندک هم به طور دائم تغییر شکل می دهد.

و یا بر عکس آن به این صورت که:

اگر سیالی به حالت خود باقی بماند پس هیچ نوع تنش برشی بر آن اثر نکرده است و همه ی نیروهایی که به سیال باید به طور عمودی بر ناحیه ای که عمل می کنند وارد شوند.

 

تنش برشی در حرکت سیال

 

اگر چه در سیال ساکن نیروی برشی وجود ندارد ، ولی تنش برشی زمانی به وجود می آید که سیال در حرکت می باشد. اگر ذرات سیال به خاطر داشتن سرعت های متفاوت نسبت به یکدیگر حرکت کنند ، این حالت باعث می شود که سیال حالت اولیه خود را از دست دهد و از شکل خود خارج شود. به عبارت دیگر اگر سرعت سیال در همه ی نقاط برابر باشد هیچ تنش برشی به وجود نخواهد آمد و در نتیجه ذرات سیال نسبت به یکدیگر ساکن می مانند.

ما به طور معمول جریانی را مورد توجه قرار می دهیم که از یک مرز جامد عبور می کند . و آن قسمت از سیال که در تماس با مرز قرار می گیرد به آن می چسبد و به همین دلیل سرعتی برابر سرعت مرز خواهد داشت و با توجه به لایه های متوالی که موازی با مرز می باشند ، سرعت سیال از لایه ای به لایه ی دیگر ، به نسبت فاصله ای که از مرز سیال می گیرد ، متفاوت خواهد بود.

 

سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی

 

حتی در بین موادی که به طور معمول به عنوان سیال شناخته می شوند ، تفاوت بسیاری در رفتارشان با توجه به تنشی که تحمل می کنند مشاهده می شود.

سیالاتی که از قانون ویسکوزیته نیوتن (Newton's Law of Viscosity ) - معادله 1 -پیروی می کنند و دارای μ ( Dynamic Viscosity ) ثابتی می باشند به عنوان سیالات نیوتنی شناخته می شوند.

 

(1)

                                                                   τ = μ du/dy

 

بیش تر سیالات رایج در این گروه قرار می گیرند .(سیال نیوتنی ) که در آن تنش برشی (τ) به صورت خطی با گرادیان سرعت (  du/dy ) در تماس می باشد.(شکل 2)

سیالاتی که از قانون ویسکوزیته نیوتن پیروی نمی کنند به عنوان سیالات غیر نیوتنی شناخته می شوند و در یکی از گروهای زیر قرار می گیرند:

 

(i) پلاستیک ( Plastic ) ، در این مواد قبل از اینکه سیال جریان یابد تنش برشی باید به یک مقدار حداقل برسد و بعد از آغاز حرکت تنش برشی با توجه به نرخ تغییر شکل ( گرادیان سرعت ) طبق رابطه زیر زیاد می شود :

 

 

که در آن A , B , n  ثابت می باشند و اگر n=1 باشد سیال به عنوان پلاستیک بینگهام شناخته می شود. (برای مثال لجن فاضلاب)

 

(ii) شبه پلاستیک ( Pseudo Plastic )، سیالاتی که در آن ها ویسکوزیته دینامیکی با افزایش نرخ تغییر شکل (گرادیان سرعت) کاهش می یابد. (مثل شیر ، سیمان ، محلول های کلوییدی ، خاک رس)

 

(iii) مواد دیلاتانت یا اتساعی ( Dilatant Substances )  ، که در آن ها ویسکوزیته دینامیکی با افزایش گرادیان سرعت ، افزایش می یابد.( مثل ماسه روان )

 

(iv) مواد تیکسوتروپیک ( Thixotropic Substances ) ، که در آن ها ویسکوزیته دینامیکی با گذشت زمان ، در یک نیروی برشی (ثابتی) که وجود دارد ، کاهش می یابد.(مثل رنگ های ژله ای تیکسوتروپیک )

 

(v) مواد رئوپکتیک ( Rheopectic Substances ) ، که در آن ها ویسکوزیته دینامیکی با گذشت زمان ، در یک نیروی برشی (ثابتی) که وجود دارد ، افزایش می یابد.

 

(vi) مواد ویسکوالاستیک ( Viscoelastic Materials ) ، موادی که در حالت های زمانی پایا رفتاری شبیه به سیالات نیوتنی دارند اما اگر تنش برشی ناگهان تغییر کند رفتاری شبیه پلاستیک از خود نشان می دهند.

 

مطالب ذکر شده در بالا در واقع طبقه بندی از سیالات حقیقی می باشد.

در بسیاری از مسائلی که در مکانیک سیالات با آن ها مواجه می شویم ، ما می توانیم رفتار یک سیال ایده آل را ، که فرض می شود بدون ویسکوزیته باشد ،مورد بررسی قرار دهیم.

راه حل هایی تئوری که برای این نوع از سیال فراهم می شود اغلب شناخت و دید ارزشمندی به ما در مورد مسائلی که با آن ها مواجه هستیم می دهد. و ما می توانیم ، هر جا که نیاز باشد ، آن ها را به وسیله بررسی های تجربی به حالت های حقیقی مربوط کنیم.

 

جریان یکنواخت و جریان پایدار   حالت های سیال می تواند از نقطه ای به نقطه ی دیگر و یا در یک نقطه ی معین از لحظه ای تا لحظه بعدی متفاوت باشد. جریان سیال ، یکنواخت نامیده می شود هر گاه سرعت در یک لحظه معین در تمام نقاط سیال از لحاظ بزرگی و جهت برابر باشد و اگر سرعت در یک لحظه معین از   نقطه ای به نقطه دیگر تغییر کند آن جریان به صورت جریان غیر یکنواخت توصیف     می شود. به طور عملی وقتی که یک سیال از مرز جامدی عبور می کند ، تفاوت سرعت در نواحی که به وسیله مرز محدود می شوند وجود خواهد داشت . اما اگر اندازه و شکل منطقه عبور جریان سیال ثابت باشد آن جریان به صورت جریان یکنواخت  ( Uniform Flow ) مورد توجه قرار می گیرد. یک جریان پایدار ( Steady Flow ) جریانی می باشد که در آن سرعت ، فشار و منطقه عبور جریان ممکن است از نقطه ای به نقطه ی دیگر متفاوت با شند ولی با زمان تغییر نمی کنند. حال اگر در یک نقطه معین حالت های سیال با زمان تغییر بکند آن جریان ، جریان ناپایدار می باشد. به طور عملی همواره تفاوت اندکی در مقادیر فشار و سرعت وجود دارد ، اما اگر مقدار متوسط آن ها ثابت باشد آن جریان به صورت جریان پایدار فرض می شود. بنابراین چهار نوع جریان وجود دارد :   جریان پایدار و یکنواخت ( Steady uniform flow ) : حالت های سیال با زمان و مکان تغییر نمی کند. و در آن سرعت و سطح منطقه عبور جریان سیال در هر منطقه عبور ، مشابه می باشد.برای مثال جریان مایعی که در یک خط لوله یکنواخت ( دارای حفره یکنواخت ) که کاملآ پر می باشد ، با سرعت ثابت حرکت می کند. جریان پایدار و غیر یکنواخت ( Steady non-uniform flow ) : حالت ها از نقطه ای به نقطه دیگر تغییر می کند ولی با زمان نه. سرعت و سطح منطقه عبور جریان می تواند از یک منطقه عبور تا منطقه عبور دیگر تغییر کند ولی برای هر منطقه عبور مقادیر آن ها با زمان تغییر نمی کند. برای مثال جریان مایعی که با دبی ثابت از یک خط لوله ای که کاملآ پر می باشد و کم کم باریک می شود، می گذرد. جریان ناپایدار و یکنواخت ( Unsteady uniform flow ) : در یک لحظه معین سرعت در همه ی نقاط یکسان می باشد ولی با زمان تغییر خواهد کرد. برای مثال جریان شتابداری از یک مایع که از یک لوله یکنواخت و کاملآ پر عبور می کند. مشابه حالتی که وقتی یک پمپ شروع به کار می کند اتفاق می افتد. جریان ناپایدار و غیر یکنواخت ( Unsteady non-uniform flow ) : سرعت و منطقه عبور از نقطه ای به نقطه ی دیگر متفاوت می باشند و با زمان نیز تغییر می کنند. برای مثال امواجی که در یک کانال عبور می کنند.   جریان تراکم پذیر و تراکم ناپذیر ( Compressible and Incompressible Flow )      همه ی سیالات تراکم پذیر می باشند به این خاطر که چگالی آن ها با فشار تغییر می کند . اما در حالت جریان پایدار تغییرات چگالی کوچک می باشد و اغلب این امکان وجود دارد که برای ساده سازی تحلیل مسائل ، جریان را تراکم ناپذیر و دارای چگالی ثابت فرض کنیم. به دلیل اینکه مایعات به سختی متراکم می شوند معمولآ آن ها را ، در همه ی موارد جریان پایدار ، به عنوان سیال تراکم ناپذیر مورد بررسی قرار می دهند. اما در حالت جریان ناپایدار به دلیل تفاوت فشاری زیادی که می تواند ایجاد شود باید حتمآ قابلیت تراکم پذیری مایعات در نظر گرفته شود. اما در مورد گازها می توان گفت که گازها به آسانی متراکم می شوند ، به جز زمانی که تغییرات فشار و به تبع آن تغییرات چگالی کم می باشد ، و تاثیر قابلیت تراکم آن ها و تغییرات انرژی درونی حتمآ باید در نظر گرفته شود.   جریان آرام و جریان درهم ( Laminar and Turbulent Flow )   مشاهدات نشان می دهد که دو نوع کاملآ متفاوت از جریان سیال وجود دارد. این قضیه به وسیله رینولدز ( Osborne Reynolds ) در سال 1883 در طی آزمایش هایی که بر روی آب تخلیه شده به وسیله یک لوله شیشه ای از یک تانک انجام داد ، ثابت شد. نرخ جریان به وسیله یک شیری که در خروجی نصب شده است کنترل می شود و لایه نازکی از رنگ به ورودی خط لوله تزریق می شود. ( شکل 3 ) در سرعت های پایین ، این موضوع دریافت شد که لایه های رنگ بدون هیچ تغییری از عرض لوله عبور می کنند و این نشان دهنده آن است که ذرات آب در خطوط موازی هم در حال حرکت می باشند. این نوع از جریان تحت عنوان جریان آرام یا ویسکوز یا لایه ای شناخته می شود که در آن ذرات سیال در یک رفتار منظمی حرکت می کنند و در حالت های نسبی مشابه ای در مناطق عبور متوالی باقی می مانند. هنگامی که سرعت در خط لوله به وسیله باز کردن شیر خروجی زیاد می شود ، نقطه ای که در ابتدای رشته رنگی می باشد شروع به نوسان کرده و منحل می شود و به این ترتیب رنگ در کل منطقه عبور پراکنده می شود و این حالت نشان دهنده آن است که ذرات سیال در یک رفتار منظم حرکت نمی کنند و دارای حالت های نسبی متفاوتی می باشند. این نوع از جریان درهم نامیده می شود.که به وسیله نوسانات متوالی کوچک در اندازه و جهت سرعت ذرات سیال که همراه می شود با نوسانات مشابه کوچک در فشار ، توصیف می شود.  

آرشیو مطالب
نظر سنجی
میخواین کجا کار کنین؟










صفحات جانبی
پیوند های روزانه
امکانات جانبی

ابزار وبمستر

عکس

دانلود

قالب وبلاگ