نویسنده: امیرحسین ترنجیان

عدد رینولدز

ارتباط با صنعت پردیس فناوری کیش

عدد رينولدز بحرانی

يکی از کاربردهای مهم عدد رينولدز، تعيين آرام يا آشفته بودن جريان است. اگر عدد رينولدز از مقدار خاصی کم‌تر باشد جريان آرام و اگر بيش‌تر باشد آشفته است. اين مقدار خاص، عدد رينولدز بحرانی نام دارد و با Recrit نشان داده می‌شود.

عدد رينولدز بحرانی برای جريان های مختلف به صورت تجربی اندازه‌گيری می‌شود. برای مثال، عدد رينولدز بحرانی برای جريان داخل يک لوله ۲۳۰۰ است. در اين حالت، طول مشخصهٔ d قطر لوله است.

طول مشخصهٔ آشفتگی

يکی ديگر از کاربردهای عدد رينولدز، تعيين کوچک‌ترين طول مشخصه در يک جريان آشفته است. در جريان آشفته، طول مشخصه به معنی فاصله‌ای است که بين متغيرهای جريان مثل سرعت يا فشار همبستگی وجود دارد. اما چون اين همبستگی‌ها هم‌بسامد نيستند، يک جريان آشفته طول‌های مشخصه‌ی متفاوتی خواهد داشت. طول‌های مشخصه‌ی بزرگ متناظر با بسامدهای پايين و طول‌های مشخصه‌ی کوچک متناظر با بسامدهای بالا هستند.

عدد رينولدز به عنوان پارامتر تشابهی

در کاربردهای مهندسی از عدد رينولدز به عنوان يک پارامتر تشابهی هم استفاده می‌شود. برای مثال، وقتی يک مدل کوچک از يک هواپيما در تونل باد مورد آزمايش قرار می‌گيرد، برای اين که نتايج تونل باد قابل تعميم به شرايط واقعی باشد، عدد رينولدز مدل و هواپيمای واقعی بايد برابر باشد.

آزمايش رينولدز

 بطور كلي دو نوع جريان لزج مجزا از يكديگر و بعنوان پديده طبيعي مورد قبول است . ملاحظه مي‌شود دودي كه از يك سيگار روشن بلند مي‌گردد بطور يكنواخت و آرام در مسافت كوتاهي از سيگار جريان مي‌يابد و ناگهان به لايه‌هاي غير منظم و غير پايدار تبديل مي‌شود. همين رفتار را مي‌توان در جريان آب كه به آهستگي از شيري عبور مي‌كند مشاهده كرد. نوع منظم جريان زماني رخ مي‌دهد كه لايه‌هاي سيال مجاور بطور آرام بر روي يكديگرمي‌لغزند و مخلوط شدن لايه‌هاي سيال فقط در يك مقياس ملكولي اتفاق مي‌افتد. براي اين چنين جرياني بود كه رابطه لزجت نيوتني بدست آمد و لذا براي اينكه لزجت را اندازه گيري نمائيم مي‌بايست جريان آرام باشد. دومين نوع جريان كه در آن ذرات سيال بين لايه‌ها انتقال يافته و يك طبيعت متغيير به سيال مي‌دهند جريان مغشوش ناميده می شود.

اگر چه وجود جريان آرام و مغشوش خيلي زود تشخيص داده شد اما اولين بار توسط رينولدز در 1883 از نظر كيفي توصيف گرديد. آب مي‌تواند از درون لوله‌اي عبور كند. دبي آب توسط يك شير كنترل مي‌شود. يك ماده رنگي كه داراي جرم مخصوص يكسان با اب است به داخل لوله بطور تصاعدي جريان مي‌يابد. هنگاميكه دبي كم است لايه‌هاي رنگ بطور منظم و در يك خط مطابق شكل  جريان دارند. در دبي‌هاي زياد به علت حركت غير منظم سيال، رنگها در تمام سطح مقطع لوله پراكنده مي‌گردند. اختلافي كه در خطوط رنگ ايندو جريان ديده مي‌شود در حالت اول مربوط به طبيعت منظم جريان ارام و در خالت دوم مربوط به خصوصيت متغيير جريان مغشوش است. تبديل جريان آرام به مغشوش در لوله‌ها تابعي از سرعت سيال مي‌باشند. عملاً رينولدز دريافت كه سرعت سيال تنها يكي از متغييرهاي مشخص كننده طبيعت جريان در لوله است و ديگر عوامل عبارتند از: قطر لوله، جرم مخوص و لزجت سيال. چهار متغيير فوق تركيب شده و پارامتر بدون بعد رينولدز را بوجود مي‌اورند.كه به افتخار و به پاس خدماتي كه رينولدز (Osborne Reynolds). به مكانيك سيالات نموده است به اسم او نام گذاري شده و به Re نمايش داده مي‌شود. زمايش نشان داده است كه براي جريان در لوله‌هاي با سطح مقطع دايره اي هنگاميكه عدد رينولدز از 2300 كوچكتر است جريان ارام مي‌باشد. و در رينولدز بالاتر از اين مقدار هم جريان ممكن است آرام باشد آ. در حقيقت جريان آرام تا رينولدز 40000 نيز در بعضي آزمايشات كه اغتشاشات كوچك، سبب انتقال بطرف جريان مغشوش خواهد شد، در حاليكه در كمتر از اين مقدار اغتشاشات از بين مي‌روند و جريان آرام حاكم بر جريان خواهد بود. بدين ترتيب عدد بحراني رينولدز براي جريان در لوله‌ها 2300 مي باشد.

 نيروي درگ Drag

آزمايش رينولدز بطور وضوح دو نوع جريان مختلف ارام و مغشوش را نشان مي‌دهد. بررسي نيروي درگ روش ديگري براي نمايش اين نوع جريان و بستگي آن به عدد رينولدز است

 يك مثال خاص آن نمايش جريان خارجي (جريان اطراف يك جسم بطوريكه مخالف جريان بداخل يك مجرا است) مي‌باشد

نيروي درگ اصطكاكي به واسطه تنتن برشي در سطح جسمي كه درون سيال لزجي حركت مي‌كند بوجود مي آيد

 درگ فشاري (pressure drag) از دو منبع درگ القايي (Induced drag) يا درگ بالا بر (Lift drag) و ديگري (Woke drag) مي‌باشد كه دومي از اين موضوع ناشي مي‌شود كه تنش برشي موجب منحرف شدن خطوط جريان از مسيرهاي جريان غير لزج شده و در بعضي حالات بكلي از جسم جدا مي‌شوند. اين انحراف در لايه‌هاي خطوط جريان از فشاري كه مي‌توانست بر مابفي جسم اعمال شود جلوگيري مي‌كند.. چون فشار در جلوي جسم بزرگتر از پشت است يك نيروي خالص بطرف عقب بوجود مي‌آيد.

در جريان غير قابل تراكم ضريب درگ بستگي بعد رينولدز و هندسه جسم دارد. يك شكل ساده هندسي كه بستگي نيروي درگ را به عدد رينولدز نشان مي‌دهد استوانه مدور است. البته جريان غير لزج در اطراف يك سيلندر هيچگونه نيروي درگ توليد نمي‌كند زيرا نه اصطكاك وجود دارد و نه درگ فشاري. تغييرات در ضريب درگ نسبت به عدد رينولدز براي يك سيلندر صاف است.

مسيرهاي جريان سيال براي چند عدد رينولدز مختلف در شكل ديده مي‌شود. خطوط جريان و شكل كلي منحني اين نتيجه را مي‌دهند كه تغييرات درگ و در نتيجه اثرات تنش برشي روي سيال مي‌تواند به چهار نوع تقسيم شود. خصوصيات هر يك از اين جريانها در زير بررسي مي‌گردد.

تغييرات ضريب درگ برحسب عدد رينولدز براي يك سيلندر مدور نواحي هاشور زده شده دلالت بر مساحتهايي دارند كه تحت تاثير تنش برشي مي‌باشند.

نوع اول

در اين نوع تمام جريان آرام و عدد رينولدز كوچكتر از يك است. با در نظر گرفتن اهميت فيزيكي عدد رينولدز بصورت نسبت نيروهاي اينرسي به نيروهاي لزجت مي‌توان گفت كه در نوع اول نيروهاي لزجت بر اينرسي غلبه دارند. شكل جريان در اينجالت تقريباً متقارن و جريان بجسم مي‌چسبد و (Wake) از نوسانات آزاد است. در اين رژيم كه جريان با خزش (Creeping flow) ناميده مي‌شود اثرات لزجت نافذ بوده و در تمام ميدان جريان امتداد مي‌يابند.

نوع دوم

همچنانكه عدد رينولدز افزايش مي‌يابد گرده‌هاي كوچكي در نقطه سكون استوانه ايجاد مي‌شود. در مقادير رينولدز بالاتر اين گرده‌ها به سمت نقطه‌اي مي‌روند كه از جسم جدا مي‌شوند و بطرف پايين دست جريان به داخل يك wake منحرف مي‌گردند. نمونه گرده‌ها در نوع دوم مسير گرداب فون كارمن (Von karmon Vortex Trial) ناميده مي‌شود. اين تغيير در خصوصيت (wake) از حالت پايدار به ناپايدار همراه با تغييري در شيب منحني درگ مي‌باشد.

كيفيت‌هاي برتر اين نوع جريان عبارتند از:

الف) طبيعت ناپايدار بودن wake

ب) جدايي جريان از جسم

نوع سوم

 در جريان نوع سوم نقطه جدايي جريان در يك نقطه در حدود 80 دور از نقطه سكون جلو ثابت مي‌ماند. ديگر (wake) بوسيله گرده‌هاي بزرگ مشخص نمي‌شوداگر چه باز هم ناپايدار باقي مي‌ماند. جريان در روي سطح جسم از نقطه سكون تا نقطه جدايي بصورت آرام است و تنش برشي در اين فاصله فقط در لايه نازك نزديك جسم محسوس مي‌باشد. ضريب درگ در حدود عددي نزديك به 1 ثابت مي‌ماند.

نوع چهارم

در عدد رينولدزي نزديك 105×5 ضريب درگ ناگهان تا مقدار 3/0 كاهش مي‌يابد. وقتي جريان در اطراف جسم مورد بررسي قرار مي‌گيرد نقطه جدايي از 90 گذشته است. بعلاوه توزيع فشار در اطراف استوانه تا نقطه جدايي نسبتاً نزديك به توزيع فشاري است كه براي جريان غير لزج شد اين نكته مورد توجه قرار مي‌گيرد كه تغييرات فشار در روي سطح جسم تابع متغييري از عدد رينولدز مي‌باشد.

پائين‌ترين نقطه روي منحني‌ها براي اعداد رينولدز 105 و 105×6 كه هر دو در نقطه جدايي جريان هستند. جدايي براي 106×6= Re در زاويه بزرگتري از 105= Re اتفاق مي‌افتد.

در اين نوع لايه‌هاي جريان نزديك سطح استوانه هنگاميكه جريان در نزديك يك نقطه سكون جلو از حالت آرام به حالت ترانزيشن تبديل مي‌شود، مغشوش مي‌باشند. تغيير نقطه جدايي نشان دهنده افت درگ است. بطور كلي يك جريان مغشوش بهتر از يك جريان آرام در مقابل جريان جدايي مقاومت مي‌كند. مي‌توان گفت كه در جريان نوع چهارم بعلت بزرگ بودن عدد رينولدز نيروهاي اينرسي بر نيروهاي لزجت غلبه دارند. چهار نوع جريان در اطراف يك دايره كه ذكر شد نشان مي‌دهد كه ناحيه تأثير نيروهاي لزجت با افزايش عدد رينولدز كاهش مي‌يابد. در جريان نوع سوم و چهارم شكل جريان در روي قسمت جلوي استونه با فرضيه جريان غير لزج تطبيق مي‌كند. براي اشكال هندسي ديگر تغييرات مشابهي در حوزه تاثير نيروهاي لزجت ديده مي‌شود و همانطور كه انتظار مي‌رود وفق دادن به حدسيات جريان غير لزج در يك عدد رينولدز داده شده با افزايش باريكي جسم افزايش مي‌يابد. از نظر مهندسي مهمترين حالت عبارت از جريانهاي خارجي مشابه نواحي جريان نوع سوم و چهارم مي‌باشد. مخصوصاً مي‌توان همين كاهش سريع CD را تا كمترين مقدار عدد رينولدز 105×5 مشاهده كرد. اين موضوع بخاطر تغيير جريان از حالت آرا به مغشوش در لايه مرزي مي‌باشد.

شرح دستگاه:

ابتدا بوسيله پمپی آب را داخل محفظه کرده با دبی های مشخص سپس مايع پرمنگنات را که رنگی است داخل آن وارد کرده که در دبی کمتر مايع حالت صاف دارد و مغشوش نسيت که در اين حالت جريان آرام است و در حالتی که دبی افزايش پيدا کند خط جريان حالت متلاطم دارد که جريان نيز متلاطم و مشوش می باشد.در اين آزمايش دما 20 درجه می باشد.

حدود رينولدز

Re<500__________________laminar

500e<2000________________________transiate

Re>2000_____________________turbulant

عدد رینولدز کمیت بدون یکای مهمی است که در مکانیک سیالات برای پیش‌بینی الگوی جریان از آن استفاده می‌شود. این عدد نسبت نیروی لختی به نیروی گرانوی می‌باشد. در اعداد رینولدز پایین تمایل جریان به داشتن الگویی آرام و لایه ای می باشد، در حالیکه در اعداد رینولدز بالا جریان به حالت آشفته در می‌آید. عدد رینولدز کاربردهای فراوانی از قبیل جریان مایع داخل لوله تا جریان هوا روی بال هواپیما دارد. از عدد رینولدز برای پیش‌بینی گذر جریان از آرام به آشفته استفاده می‌شود و هم‌چنین در پیش‌بینی و تعیین جریان در اطراف یک مدل ماکت و کوچک با مدل اندازه اصلی و بزرگ کاربرد دارد.

این تصویر، آشفتگی جریان سیال را در اطراف یک سیلندر نشان می‌دهد. این پدیده در همه اجسام به شکل سیلندر و با هر نوع سیالی رخ می‌دهد. در این شرایط عدد رینولدز بین ۴۹ تا ۱۰۰۰ است

تعریف ریاضی عدد رینولدز، ، به صورت زیر است:

که در این عبارت:

 چگالی شاره،
 سرعت متوسط جریان شاره،
 یک طول مشخصه در مسئله؛ و
 ضریب گرانوی شاره‌است.

عدد رینولدز بحرانی

یکی از کاربردهای مهم عدد رینولدز، تعیین آرام یا آشفته بودن جریان است. اگر عدد رینولدز از مقدار خاصی کم‌تر باشد جریان آرام و اگر بیش‌تر باشد آشفته‌است. این مقدار خاص، عدد رینولدز بحرانی نام دارد و با نشان داده می‌شود.

عدد رینولدز بحرانی برای جریان‌های مختلف به صورت تجربی اندازه‌گیری می‌شود. برای مثال، عدد رینولدز بحرانی برای جریان داخل یک لوله ۲۲۰۰ است. در این حالت، طول مشخصهٔ  قطر لوله‌است.

طول مشخصهٔ آشفتگی

یکی دیگر از کاربردهای عدد رینولدز، تعیین کوچک‌ترین طول مشخصه در یک جریان آشفته‌است. در جریان آشفته، طول مشخصه به معنی فاصله‌ای است که بین متغیرهای جریان مثل سرعت یا فشار همبستگی وجود دارد. اما چون این همبستگی‌ها هم‌بسامد نیستند، یک جریان آشفته طول‌های مشخصهٔ متفاوتی خواهد داشت. طول‌های مشخصهٔ بزرگ متناظر با بسامدهای پایین و طول‌های مشخصهٔ کوچک متناظر با بسامدهای بالا هستند.
با استفاده از این رابطه می‌توان کوچک‌ترین طول مشخصهٔ جریان آشفته را به دست آورد.

عدد رینولدز به عنوان پارامتر تشابهی

در کاربردهای مهندسی از عدد رینولدز به عنوان یک پارامتر تشابهی هم استفاده می‌شود. برای مثال، وقتی یک مدل کوچک از یک هواپیما در تونل باد مورد آزمایش قرار می‌گیرد، برای این که نتایج تونل باد قابل تعمیم به شرایط واقعی باشد، عدد رینولدز مدل و هواپیمای واقعی باید برابر باشد.

جریان توربولانس

پردیس فناوری کیش ارتباط با صنعت

در مکانیک سیالات عمدتا به بررسی جریان‌ سیال در حالت‌های مختلف پرداخته می‌شود. در حالت کلی این جریان‌ها به دو دسته‌ی جریان لایه‌ای (Laminar flow) و جریان توربولانس (Turbulent Flow) یا متلاطم تقسیم‌بندی می‌شوند.

بررسی جریان‌های لایه‌ای از نظر تئوری آسان‌تر و به زمان کم‌تری نیاز دارد.
واقعیت این است که بیش از ۹۰ درصد از جریان‌هایی که در روزمره با آن‌ها مواجه هستیم، جزء جریان‌های توربولانس محسوب می‌شوند.

جریان توربولانس چیست؟

جریان توربولانس در مکانیک به حرکت سیال در حالتی اطلاق می‌شود که درآن حرکت ذرات به‌صورت تصادفی است.

بر خلاف جریان لایه‌ای که در آن حرکت ذرات سیال به‌شکل لایه‌هایی است که روی هم حرکت می‌کنند، ذرات سیال در راستای عمود بر مسیر حرکت نیز با هم مخلوط شده و حرکتی تصادفی را ایجاد می‌کنند.

در آزمایشی که انجام شده، در ابتدا رنگی در سیال تزریق و مسیر حرکت آن در حالت‌های مختلف دنبال شده است. این آزمایش برای اولین بار توسط ازبورن رینولدز انجام شد.

او نشان دادن که با تغییر دادن سرعت ورودی سیال، چگالی و چند پارامتر دیگر، رژیم جریان نیز تغییر می‌کند.
در شکل b سرعت جریان ورودی افزایش یافته و در نتیجه آن، رژیم جریان به‌صورت توربولانس در آمده است.

معمولا جهت تشخیص جریان توربولانس از دو مشخصه‌ی جریان چرخشی و تلاطم استفاده می‌کنند.

با توجه به این دو کمیت، در جریان توربولانس هم جهت و هم اندازه جریان به‌طور تصادفی تغییر می‌کنند.

جزئیات دقیق رفتار توربولانسی یک جریان به‌طور دقیق معلوم نیست. با این حال قریب به اتفاق جریان‌هایی که در صنعت و در زندگی روزمره با آن مواجه‌ هستیم، از نوع توربولانسی هستند. متاسفانه به دلیل این که رفتار توربولانسی شدیدا تصادفی بوده، این عامل تحلیل آن را بسیار مشکل می‌کند.

جالب است بدانید که به زعم بسیاری از افراد صاحب نظر در زمینه علوم تجربی،  آخرین مسئله حل نشده در فیزیک کلاسیک، پدیده توربولانسی است.

مهم‌ترین ابزار موجود تاکنون در مورد بررسی رفتار توربولانسی، دینامیک سیالات محاسباتی یا همان CFD است.

در حقیقت CFD شاخه‌ای از مکانیک سیالات است که در آن با استفاده از آنالیز عددی، جریان‌های توربولانس حل شده و توصیف می‌شوند.

مشخصه‌های اصلی جریان توربولانس

جریان توربولانس در سرعت‌های بیشتر،ویسکوزیته های کمتر  و در طول‌های مشخصه  بزرگ‌تر رخ می‌دهند.

توجه داشته باشید که طول مشخصه به کمیتی از جنس طول اشاره دارد که اندازه آن اگر از مقدار مشخصی بیشتر باشد، حالت جریان از لایه‌ای به توربولانس تغییر خواهد کرد.

نتایج تجربی نشان می‌دهند در صورتی که رینولدز یک جریان -داخلی- بیشتر از ۲۳۰۰ باشد (Re>2300)، جریان مورد نظر به‌صورت توربولانس خواهد بود.

در جریان توربولانس، در لوله، توزیع سرعت به‌صورت تخت بوده اما ناگهان اندازه سرعت در نزدیکی دیواره به صفر می‌رسد.

به مشخصه‌ای که منجر به افزایش شدت اختلاط در در جریان توربولانس می‌شود، «نفوذپذیری» گفته می‌شود.

اتلاف، فرآیندی است که در آن انرژی جریان توربولانس، به دلیل وجود نیرو‌های اصطکاکی، به انرژی درونی سیال تبدیل می‌شود. دلیل وجود داشتن نیرو‌های اصطکاکی، تنش‌های ویسکوز هستند.

عدد رینولدز

عدد رینولدز، نسبت نیرو‌های اینرسی به نیرو‌های ویسکوز را نشان می‌دهد. این عدد معیاری مناسب جهت میزان توربولانس بودن جریان است.

در حقیقت زمانیکه نیرو‌های اصطکاکی یا همان نیرو‌های ویسکوز غالب باشند، ذرات سیال به شکل لایه‌‌ای به حرکت خود ادامه داده و جریان به‌صورت لایه‌ای باقی می‌ماند.

در حالتی که نیرو‌های اینرسی (یا به عبارتی مومنتوم سیال) زیاد باشند، جریان توربولاس خواهد شد.

دلیل استفاده از فعل شد در جمله‌ی قبل این است که معمولا در هنگام عبور جریان روی سطح یا درون لوله، در ابتدای حرکت، جریان مذکور به‌صورت لایه‌ای است و پس از طی مسیری و تحت فرآیندی به توربولانس تبدیل می‌شود.

در شکل زیر وضعیت جریان در دو حالت لایه‌ای و توربولانس نشان داده شده است.

در تحلیل جریان‌های مختلف عدد رینولدز، به شکل زیر تعریف می‌شود.

اجزای رابطه فوق، برابر با موارد زیر هستند.

V: سرعت سیال

D: طول مشخصه‌ی مسیر جریان

ρ: چگالی سیال

μ: ویسکوزیته‌ی دینامیکی

ν: ویسکوزیته سینماتیکی

مشخصا در لوله D،‌ نشان دهنده قطر هیدرولیکی است.

در حقیقت در حالت دایر‌ه‌ای قطر لوله برابر با D و در حالتی که مقطعِ لوله، غیر دایره‌ای باشد، از رابطه زیر جهت محاسبه قطر هیدرولیکی استفاده می‌شود.

در رابطه فوق DH نشان دهنده قطر هیدرولیکی است که برابر با D در نظر گرفته می‌شود. از طرفی A و P نیز به‌ترتیب برابر با مساحت مقطع لوله و محیط تر شده هستند.

قطر هیدرولیکی برای کانال فوق برابر است با:

پروفیل (شکل) جریان

به نحوه تغییرات اندازه‌ی یک کمیت، پروفیل آن کمیت گفته می‌شود. برای نمونه پروفیل سرعت، نشان دهنده شکل تغییرات سرعت است. برای جریان توربولانس، تغییرات مذکور وابسته به شرایط و محیطی است که سیال در آن جریان دارد. البته مدل‌های -ریاضیاتی- مختلفی جهت توصیف این تغییرات ذکر شده که در ادامه برای نمونه به قانون توان برای حالت جریان داخلی اشاره می‌کنیم.

قانون توان

در مواردی که هدف ما بررسی جریان توربولانس در داخل لوله باشد، روابط تجربی بسیاری جهت استفاده وجود دارند. ساده‌ترین و شناخته‌ شده‌ترین آن‌ها قانون توانی است که در زیر ارائه شده:

در رابطه فوق، n عددی ثابت بوده که مقدار آن وابسته به عدد رینولدز است. از طرفی کمیت‌های Umax وu به‌ترتیب نشان دهنده بیشترین سرعت سیال و سرعت متوسط آن هستند. هم‌چنین R شعاع لوله و r نشان دهنده فاصله از مرکز لوله است. با این فرضیات، y را می‌توان برابر با y=R-r در نظر گرفت.

در شکل زیر پروفیل سرعت به‌ازای nهای مختلف نشان داده شده است. مطابق با این شکل می‌توان گفت که با افزایش عدد رینولز عدد ثابت n نیز افزایش می‌یابد. گفتنی است که قانون توانی 1/7 در بسیاری از مسائل صنعتی کاربرد دارد.

لایه‌مرزی توربولانس

تیوری لایه مرزی در بسیاری از مسائل از جمله آیرودینامیک و دیگر شاخه‌های مکانیک سیالات از اهمیت بسیاری برخوردار است. در شکل زیر مشخصه‌های پایه‌ای یک جریان از زمانی که به‌صورت لایه‌ای است تا زمانی که به‌طور کامل به توربولانس تبدیل شده‌، نشان داده شده است.

لایه‌مرزی نیز هم‌چون خود جریان می‌تواند توربولانس یا لایه‌ای باشد. در این حالت نیز رژیم جریان وابسته به عدد رینولدزِ محلی است. در حقیقت در رینولدز‌های اندک، لایه‌مرزی به صورت لایه‌ای بوده و با فاصله گرفتن از سطح به‌صورت یکنواخت تغییر می‌کند. سمت چپ شکل بالا این امر را نشان می‌دهد.

با افزایش عدد رینولدز در راستای x، جریان ناپایا شده و به‌صورت توربولانس در خواهد آمد. همان‌طور که در سمت راست شکل بالا نیز مشخص است، جریان در لایه‌مرزی به‌شکل توربولانس در آمده است.

در ناحیه‌‌ی بین جریان کاملا لایه‌ای و جریان کاملا توربولانسی، منطقه‌ای وجود دارد که به آن ناحیه‌ گذار گفته می‌شود. در این ناحیه فرآیند توربولانس شدن جریان شروع می‌شود. ناحیه گذار در رینولدز 500000=Rex شروع می‌شود. ناحیه‌ی گذار می‌تواند زود‌تر رخ دهد، که این امر وابسته به میزان زبری سطح است.

منبع:https://blog.faradars.org/%D8%AC%D8%B1%DB%8C%D8%A7%D9%86-%D8%AA%D9%88%D8%B1%D8%A8%D9%88%D9%84%D8%A7%D9%86%D8%B3/

کمیت های ماکروسکوپیکی و میکروسکوپیکی

پردیس فناوری کیش ارتباط با صنعت

مطالعه ی هر شاخه ی خاص از فیزیک با جدا کردن قسمت محدودی از ماده از محیط انجام می شود که قسمت انتخاب شده را سیستم (دستگاه) می نامند. همچنین به هر چه که در خارج آن محدوده (سیستم) قرار دارد و در نحوه ی رفتار آن نقش مستقیم دارد (یعنی می تواند با آن تبادل انرژی کند) محیط می گویند.

وقتی یک سیستم خاص انتخاب شد، قدم بعدی توصیف آن بر حسب کمیت هایی است که به رفتار سیستم مربوط می شود؛ به طور کلی در فیزیک برای بررسی هر ماده دو دیدگاه وجود دارد: دیدگاه ماکروسکوپیکی و دیدگاه میکروسکوپیکی.

بررسی های تجربی و نظری نشان داده اند که رفتار ماده را می توان بر حسب کمیت هایی چون فشار، دما، گرما و … توضیح داد. این کمیت ها به وضعیت ماده در مقیاس بزرگ بستگی دارد و به جزئیات رفتار تک تک مولکول های ماده وابسته نیستند.

این موضوع را می توان در این مثال مشاهده کرد که دمای یک لیوان آب که در دمای اتاق به تعادل گرمایی رسیده است، ثابت می ماند در حالی که مولکول های تشکیل دهنده ی آب پیوسته به اطراف حرکت می کنند و سرعت شان تغییر می کند.

کمیت هایی که وضیعت ماده را در مقیاس بزرگ توصیف می کنند، کمیت های ماکروسکوپیک نامیده می شوند.

علم ترمودینامیک رفتار ماده را بر حسب کمیت های ماکروسکوپیک توصیف می کند.

 اگر به ماده ای به جرم m  و گرمای ویژه ی c  مقدار Q  گرما بدهیم، دمای آن با اندازه ی T=Q/mc∆  افزایش می یابد. در این مثال ما برای توضیح دادن چگونگی رفتار ماده از کمیت های ماکروسکوپیک:

دما، گرما و گرمای ویژه استفاده کرده ایم یعنی برای توصیف رفتار ماده، علم ترمودینامیک را به کار برده ایم.

از جمله کمیت هایی ماکروسکوپیکی دیگر می توان به فشار و حجم اشاره کرد.

کمیت های ماکروسکوپیک عموما دارای ویژگی های مشترکی هستند که عبارتند از:

 

1.  هیچ گونه فرض خاصی درباره ی ساختار ماده ندارند.
2.  تعداد آن ها کم است.
3.  آن را کم و بیش به طور مستقیم با حواس خود درک می کنیم.
4.  عموماً می توان آن را مستقیم اندازه گرفت.
به طور خلاصه توصیف ماکروسکوپیکی یک سیستم عبارت است از:

مشخص کردن چند ویژگی اساسی و قابل اندازه گیری آن سیستم.

در توصیف میکروسکوپیک در یک سیستم، تعداد بسیار زیادی مولکول قرار دارد که هر مولکول می تواند انرژی خاصی داشته باشد (همان طور که در مثال آب گفتیم چون مولکول ها پیوسته در حرکت هستند و سرعت شان متغیر است انرژی مولکول در حال تغیر است) بنابراین فرض می شود که حالت تعادل سیستم حالتی است که احتمال آن بیشینه است.

بنابراین توصیف میکروسکوپیکی یک سیستم شامل مشخصات زیر است:

1.  فرض هایی درباره ی ساختار ماده مثلا مولکول ها می شود.

2.  کمیت های زیادی باید مشخص شود.

3.  کمیت های مشخص شده توسط حواس ما درک نمی شود.

4.  این کمیت ها را نمی توان اندازه گرفت.

اگر چه ممکن است این طور به نظر برسد که این دو دیدگاه با هم متفاوت اند اما رابطه ای بین آن ها وجود دارد؛ وقتی هر دو دیدگاه در مورد یک سیستم به کار روند، باید نتیجه ی یکسانی حاصل شود.

آن رابطه این است که در واقع میانگین های زمانی تعداد زیادی از کمیت های میکروسکوپیکی در یک زمان معین، یکی از کمیت های ماکروسکوپیکی سیستم است.

مثلا کمیت فشار (F) عبارت است از میانگین تغییرات نیروی (F) ناشی از برخوردهای مولکولی در واحد مساحت (A) که فشار کمیت ماکروسکوپیکی و نیرو و مساحت کمیت های میکروسکوپیکی سیستم هستند.

 

تفاوت اصلی ماکروسکوپی و میکروسکوپی در این است که اصطلاح ماکروسکوپی به موادی اطلاق می شود که با چشم غیر مسلح قابل مشاهده هستند در حالی که اصطلاح میکروسکوپی به موادی اطلاق می شود که برای چشم غیر مسلح نامرئی هستند.

اصطلاحات ماکروسکوپی و میکروسکوپی به دو مقیاس مختلف اشاره دارد که در تعیین اندازه ترکیبات مختلف مفید هستند. مواد ماکروسکوپی به اندازه کافی بزرگ هستند که با چشم غیر مسلح و بدون هیچ ابزار بزرگنمایی قابل مشاهده هستند. در مقابل ، مواد میکروسکوپی بسیار کوچک هستند که به اندازه کافی بزرگ نیستند که با چشم غیر مسلح دیده شوند. بنابراین ، برای بررسی این مواد به یک ابزار ذره بین مانند میکروسکوپ نیاز داریم.

فهرست

1. بررسی اجمالی و تفاوت کلیدی 2. ماکروسکوپی چیست 3. میکروسکوپی چیست؟ مقایسه جانبی با یکدیگر – ماکروسکوپی در مقابل میکروسکوپی در فرم جداول 5. خلاصه

ماکروسکوپی چیست؟

اصطلاح ماکروسکوپی به موادی گفته می شود که به اندازه کافی بزرگ هستند که با چشم غیر مسلح قابل دیدن هستند. این بدان معناست که می توانیم بدون داشتن ذره بین این مواد را مشاهده کنیم. به دلیل همین اندازه واحدهای اندازه گیری که می توانیم برای اندازه گیری ابعاد این مواد استفاده کنیم میلی متر ، سانتی متر ، کیلومتر و غیره است.
علاوه بر این ، به عنوان نمونه ای از مواد در مقیاس ماکروسکوپی ، می توانیم از هر ماده ای که از یک رشته مو به یک وسیله نقلیه بزرگ می بینیم ، نام ببریم.

میکروسکوپی چیست؟

اصطلاح میکروسکوپی به موادی که بسیار اندک هستند اشاره دارد ، بنابراین ، بدون دستگاه ذره بین نمی توانیم آنها را مشاهده کنیم. بنابراین برای رعایت این مواد باید از ابزارهای نوری مانند ذره بین ، میکروسکوپ نوری ، میکروسکوپ الکترونی و… استفاده کنیم. این مقیاس بین مقیاس ماکروسکوپی و مقیاس کوانتومی است.
از این رو واحدهای اندازه گیری این مقیاس میکرومتر ، نانومتر و … به عنوان نمونه هایی از مواد در مقیاس میکروسکوپی ، می توانیم به میکروارگانیسم هایی از قبیل باکتری ، قارچ ، ویروس و غیره بدهیم.

تفاوت بین ماکروسکوپی و میکروسکوپی چیست؟

اصطلاح ماکروسکوپی به موادی گفته می شود که به اندازه کافی بزرگ هستند که توسط چشم غیر مسلح قابل مشاهده هستند در حالی که اصطلاح میکروسکوپی به موادی گفته می شود که بسیار اندک هستند و بدون دستگاه ذره بین نمی توانیم آنها را مشاهده کنیم. بنابراین ، این تفاوت اساسی بین ماکروسکوپی و میکروسکوپی است. به همین دلیل می توان ابعاد مواد ماکروسکوپی را در واحد هایی مانند میلی متر ، سانتی متر ، کیلومتر و غیره اندازه گیری کرد در حالی که می توان ابعاد مواد میکروسکوپی را در واحدهایی مانند میکرومتر و نانومتر اندازه گیری کرد. همچنین ، یکی دیگر از تفاوت های مهم بین مواد ماکروسکوپی و میکروسکوپی در این است که برای مشاهده مواد ماکروسکوپی نیازی به هیچ ابزار نوری ذره بین نیست در حالی که برای مشاهده مواد میکروسکوپی به ابزارهای نوری مانند لنزها ، میکروسکوپ سبک ، میکروسکوپ الکترونی احتیاج داریم.

خلاصه – ماکروسکوپی در مقابل میکروسکوپی

اصطلاحات ماکروسکوپی و میکروسکوپی به دو مقیاس مختلف اشاره دارد که ما مواد مختلف را با توجه به اندازه و دید آنها دسته بندی می کنیم. تفاوت اصلی ماکروسکوپی و میکروسکوپی در این است که اصطلاح ماکروسکوپی به موادی اطلاق می شود که با چشم غیر مسلح قابل مشاهده هستند در حالی که اصطلاح میکروسکوپی به موادی اطلاق می شود که برای چشم غیر مسلح نامرئی هستند.

منبع:https://article.tebyan.net/179592/%DA%A9%D9%85%DB%8C%D8%AA-%D9%87%D8%A7%DB%8C-%D9%85%D8%A7%DA%A9%D8%B1%D9%88%D8%B3%DA%A9%D9%88%D9%BE%DB%8C%DA%A9%DB%8C-%D9%88-%D9%85%DB%8C%DA%A9%D8%B1%D9%88%D8%B3%DA%A9%D9%88%D9%BE%DB%8C%DA%A9%DB%8C-%D9%85%D9%88%D8%A7%D8%AF

موتور جت

پردیس فناوری کیش ارتباط با صنعت

موتور جت سیستمی است که بر مبنای قانون سوم نیوتن، نیروی مورد نیاز جهت حرکت اجسام را ایجاد می‌کند. بیشترین استفاده این نوع از موتورها، در اجسامی است که به سرعت بالا نیاز دارند. بنابراین در اکثر وسایل پرنده همچون هواپیما و موشک از آن‌ها استفاده می‌شود. توجه داشته باشید که موتور جت نیز هم‌چون موتور استرلینگ، موتور دیزل و موتور مبتنی بر سیکل اوتو، دستگاهی درون‌سوز محسوب می‌شود. توجه داشته باشید که در تحلیل موتور‌های جت از فرض گاز ایده آل استفاده می‌شود.
هدف اصلی سیستم پیشرانش هواپیماها، ایجاد نیرویی رو به جلو است که منجر به حرکت اینگونه از وسایل شود. به نیروی ایجاد شده، «تراست» گفته‌ می‌شود. مبنای کاری هواپیماهای مبتنی بر جت و مدل‌های پره‌ای، همین مفهوم است. نیروی تراست در چنین وسایلی با شتاب دادن به هوا ایجاد می‌شود. این نیرو به طور مستقیم با اختلاف سرعت هوای ورودی به موتور و خروجی از آن ارتباط دارد.

هواپیماهای پره‌ای حجم زیادی از هوا را به اندازه کمی سرعت می‌دهند. این در حالی است که در جت‌ها حجم اندکی از هوا به میزان زیادی شتاب می‌گیرد. نیروی وارد شده به سیستم، که ناشی از این تغییر سرعت است را می‌توان با استفاده از قانون دوم نیوتن توضیح داد. بنابراین موتورهای جت به نحوی طراحی می‌شوند که به ازای نرخ مشخصی از جریان هوا بیشترین شتاب ممکن را ایجاد کنند. از نظر نیروی ایجاد شده، موتورهای مبتنی بر توربین گاز نسبت به نوع پیستونی، بسیار قوی‌تر هستند.

یک موتور جت مبتنی بر توربین گاز به سیستمی گفته می‌شود که در آن، از هوا به عنوان سیال کاری بهره می‌گیرند. به منظور دست‌یابی به نیروی تراست مد‌نظر، هوای ورودی به موتور باید شتاب گرفته و یا به بیانی دیگر انرژی جنبشی آن بایستی افزایش یابد.

مراحل کاری موتور جت مبتنی بر توربین گاز به ترتیب زیر هستند:
کمپرسور فشار هوای ورودی را افزایش می‌دهد.
سوخت توسط محفظه احتراق به درون هوای ورودی پاشیده شده و با استفاده از احتراق، هوا را داغ می‌کند. در مدت زمان فرآیند احتراق، فشار تقریباً ثابت خواهد ماند؛ بنابراین با زیاد شدن دمای هوا، این سیال حجم بیشتری را اشغال خواهد کرد.
توربین، انرژی ذخیره شده در هوای داغ را به کار مکانیکی تبدیل خواهد کرد. این انرژی، نیروی مورد نیاز به منظور چرخش محور کمپرسور را فراهم می‌کند.
نازل، هوای ورودی را شتاب و سرعت آن را افزایش می‌دهد.

در موتورهای توربینی، هوا در کمپرسور و به دو صورت عمده فشرده می‌شود. این فرآیند در بعضی از کمپرسورها به شکل محوری و در بعضی دیگر به صورت گریز از مرکز رخ می‌دهد. در هر دو نوع کمپرسور مورد اشاره انرژی چرخشی لازم، از طریق توربین تامین می‌شود. شایان ذکر است که معمولا در این سیستم‌ها کمپرسور و توربین روی یک محور قرار گرفته‌اند.

کمپرسورهای گریز از مرکز معمولا از پره به عنوان شتابدهنده هوا و هم‌چنین از دیفیوزر به منظور بالا بردن فشار آن استفاده می‌کنند. در این نوع از کمپرسورها، هوا به صورت شعاعی (در زاویه 90 درجه نسبت به جهت پرواز) از کمپرسور خارج می‌شود.

در کمپرسورهای محوری از مجموعه‌ای پره روی یک محور به منظور شتاب دادن هوا استفاده می‌شود. در این کمپرسورها با استفاده از ورقه‌های ثابتی (استاتور) فشار هوای ورودی افزایش می‌یابد.

توجه داشته‌ باشید که میزان فشردگی حاصل شده در یک کمپرسور گریز از مرکز، بسیار بیشتر از نوع محوری آن است. این بیان به این معنا است که به منظور افزایش فشار به یک میزان مشخص، به کمپرسوری چند مرحله‌ای از نوع محوری نیازمند هستیم و این در حالی است که احتمال دارد همان میزان افزایش فشار تنها در یک مرحله در یک کمپرسور گریز از مرکز انجام شود.

طراحی موتوری که مبتنی بر کمپرسور گریز از مرکز باشد، به نسبت موتوری که در آن از کمپرسور محوری استفاده شده باشد، به سطح ورودی بیشتری نیازمند است. این اختلاف سطح مقطع ورودی به این دلیل است که در کمپرسور محوری، جریان پس از فشرده شدن بایستی دوباره به سمت محفظه احتراق هدایت شود؛ هم‌چنین خود کمپرسور محوری نیز از حجم بیشتری برخوردار است. بنابراین موتوری که در آن از کمپرسور گریز از مرکز استفاده شده به نسبت کمپرسورهای محوری از نظر ظاهر، چاق‌تر و هم‌چنین کوتاه‌ تر به نظر می‌رسد.

محفظه احتراق

وظیفه محفظه احتراق در یک موتور، سوزاندن مقدار زیادی سوخت است. این سوخت به همراه هوایی می‌سوزد که از کمپرسور خارج شده. سوخت مد نظر نیز توسط نازل‌هایی که در محفظه قرار گرفته‌اند، درون هوای فشرده شده اسپری می‌شود. این عمل در حالت ایده‌آل با کمترین افت فشار ممکن و بیشترین انتقال حرارت انجام می‌شود.

میزان سوخت اضافه شده به هوای فشرده شده، به دمایی وابسته است که می‌خواهیم به آن دست یابیم. با این حال با توجه به محدودیت ساخت، بیشترین دمایی که می‌توان به آن رسید بین 850 تا 1700 درجه سانتی‌گراد است. توجه داشته باشید که قبل از ورود هوا به محفظه احتراق دمای هوا به میزان 650 تا 1150 درجه افزایش یافته است.
دمای گاز پس از احتراق به عددی معادل 1800 تا 2000 درجه سانتی‌گراد خواهد رسید. قریب به 60 درصد از حجم هوای ورودی، در احتراق شرکت نخواهد کرد و مستقیم به سمت مشعل حرکت خواهد کرد. مابقی هوایی که در احتراق شرکت نکرده کار خنک کردن دیواره نازل را انجام می‌دهد.

در حالت کلی سه نوع اصلی محفظه احتراق وجود دارد.
محفظه احتراق چند بخشی
حلقوی شکل (Annular)
حلقوی شکل با اتاقک جدا (Can Annular)
محفظه احتراق چند بخشی

این نوع از محفظه احتراق در کمپرسورهای گریز از مرکز و مدل‌های اولیه کمپرسورهای محوری استفاده می‌شود. احتراق چند‌بخشی، الهام گرفته از محفظه احتراق Whittle است. اتاقک‌ها مطابق شکل به صورت شعاعی و دور تا دور موتور قرار گرفته‌اند، هم‌چنین هوایی که از سمت کمپرسور می‌آید مستقیما به درون آن‌ها هدایت می‌شود. هر اتاقک شامل یک مشعل است که هوای ورودی از کمپرسور، اطراف آن قرار می‌گیرد. تمامی این مشعل‌ها نیز با هم ارتباط دارند. این ویژگی به اتاقک‌ها کمک می‌کند تا در یک فشار کاری یکسان، فعالیت کنند و هم‌چنین امکان پخش مشعل اطراف موتور وجود داشته‌ باشد.

محفظه حلقوی شکل با اتاقک جدا

این نوع از محفظه احتراق در واقع پلی میان نوع چند‌بخشی و حلقوی است. در این مدل تعدادی مشعل احتراق، به صورت حلقوی و در معرض هوا قرار داده می‌شوند. هم‌چنین جریان هوا همانند مدلی است که در بخش قبل به آن اشاره شد. این ترتیب قرار‌گیری مشعل‌ها، به نگه‌داری و تعمیرات و هم‌چنین کم‌حجم‌تر کردن موتور مذکور کمک می‌کند.

محفظه حلقوی

این نوع از محفظه احتراق شامل فقط یک مشعل است که به صورت حلقوی (همانند مدل قبلی) در معرض جریان هوای ورودی قرار می‌گیرد. مهم‎‌ترین مزیت در این مدل از محفظه احتراق این است که با فرض یک توان خروجی ثابت، فقط 75 درصد از قطر مدل قبلی نیاز و درنتیجه این مدل از وزن و قیمت کم‌تری برخوردار است.

توربین

وظیفه توربین در یک موتور جت، تولید نیرو به منظور به حرکت در آوردن کمپرسور و دیگر اجزای آن است. این کار با  گرفتن انرژی از گاز داغ انجام می‌شود، به نحوی که نهایتا دما و فشار آن افت خواهد کرد. دمای گازی که در معرض توربین قرار می‌گیرد، بین 850 تا 1700 درجه است، که از دمای ذوب موادی که با تکنولوژی کنونی ساخته می‌شوند، فاصله دارد.

به منظور ایجاد گشتاور مورد نیاز کمپرسور و دیگر اجزا موتور، چندین مرحله افت فشار و دما در توربین اتفاق می‌افتد. تعداد این مراحل به توان مد نظر، سرعت دورانی توربین و قطر آن وابسته است.

از نظر تئوری، هرچه دمای ورودی به توربین بیشتر باشد، راندمان موتور افزایش می‌یابد. اما در عمل به دلیل محدودیت در مواد استفاده شده در ساخت توربین، این مهم امکان‌پذیر نیست و یک حد بالایی از دمای ورودی به توربین قابل تعریف است. در حقیقت دمای توربین تا مقداری افزایش خواهد یافت که قطعات آن به شدت داغ و سرخ خواهند شد. در این حالت مواد انتخاب شده بایستی این قدرت را داشته‌ باشند تا بتوانند گشتاور و نیروی مد نظر را بدون ذوب شدن، انتقال دهند.

سوراخ‌های کوچکی در پره‌های توربین تعبیه شده که با جریان یافتن هوا میان آن‌ها سبب خنک شدنش می‌شوند.

نازل خروجی

موتور‌های مبتنی بر توربین گاز که در هواپیماها استفاده می‌شوند، از سیستمی تحت عنوان «اگزاست» (Exhaust) بهره می‌برند که وظیفه آن تخلیه گاز داغ به درون اتمسفر است. با بهره‌گیری از این سیستم، گاز خروجی سرعت خواهد گرفت، بنابراین امکان دستیابی به تراست مد نظر وجود خواهد داشت. طراحی اگزاست می‌تواند تاثیر به‌سزایی در کارکرد توربین گاز داشته‌ باشد. عملکرد این سیستم به دمای گاز ورودی، نرخ جرمی جریان، فشار و دمای گاز خروجی مد نظر طراحی وابسته است.

وظیفه اصلی اگزاست، جلوگیری از هدایت حرارتی به بقیه اجزاء موتور و هم‌چنین تنظیم سطح مقطع مناسب برای گاز خروجی است. اضافه کردن برخی ویژگی‌ها هم‌چون «معکوس‌کننده تراست» (به منظور کاهش سرعت هواپیما هنگام فرود آمدن)، دمپر صدا و یا سطح مقطع متغیر، طراحی این سیستم را پیچیده‌تر خواهد کرد.

پس‌سوز

علاوه بر اجزا استفاده شده در توربین گاز، از جزء دیگری نیز به منظور افزایش تراست خروجی استفاده می‌شود. پس‌سوز (بازگرمایش)، سیستمی است که به منظور افزایش نیروی تراست در مواقع معینی استفاده می‌شود، از جمله این مواقع می‌توان به هنگامی که هواپیما در حال بلند شدن و یا مشغول مانورهای جنگی است اشاره کرد.

از نظر مهندسی، تعبیه سیستم پس‌سوز در یک موتور، منجر به مصرف سوخت بسیار بیشتری نسبت به حالت عادی خواهد شد؛ بنابراین از این سیستم فقط در زمانی استفاده می‌شود که مسئله سوخت در موتورها اهمیت کمتری داشته باشد.

منبع:https://blog.faradars.org/jet-engine/

پردیس فناوری کیش ارتباط با صنعت

مکانیک جامدات

در سال 1336 هجری شمسی و مصادف با تاسیس دانشکده پلی تکنیک تهران دانشکده مهندسی مکانیک هم شروع به کار کرد و در سال 1340 اولین فارغ التحصیلان این رشته توانستند مدرک بگیرند. ابتدا مهندسی مکانیک و برق یکی بودند که با الکترو مکانیک گفته می شود می شدند و بعد از چهل سال از همدیگر جدا شدند و رشته های مجزا را تشکیل دادند ولی با پیشرفت صنعت هر کدام از آنها از همدیگر جدا شدند و به گرایش های مختلف تقسیم شدند که در این قسمت به معرفی گرایش طراحی‌ جامدات‌ می‌پردازیم.

کاربرد و شاخه ها

رشته مهندسی مکانیک دروس کاربردی زیادی دارد که کلا افراد این رشته باید بتوانند در ریاضیات دیفرانسیلی پیچیده و تجسم فیزیکی قدرتمند باشند و همینطور واحدهای کارگاهی و فعالیت در واحدهای تولیدی نیز در این رشته وجود دارد که افراد باید در آن ها توانمند باشند.
برای اینکه در رشته های دانشگاهی مخصوص رشته های مهندسی بتوانیم موفق باشیم باید به این رشته ها علاقه داشته باشیم و در کنار داشتن علاقه به درس های اساسی این رشته‌ها را هم تقویت کنیم به طور مثال در این رشته درسهای اساسی پایه در بخش مکانیک و ریاضی فیزیک شیمی و رسم فنی و باید خیلی قوی باشند و همچنین افراد باید هوش خوبی داشته باشند و روحیه مناسبی برای انجام فعالیت‌های این رشته‌ها داشته باشند.

گرایش جامدات

گرایش مکانیک جامدات از زیر شاخه های اصلی مهندسی مکانیک است که در این رشته رفتار مواد جامد تحت اثر بارگذاری های خارجی مورد بررسی قرار می گیرد قاب گذاری خارجی که از آن ثابت شود می تواند نیروی مکانیکی نیروی حرارتی الکتریکی باید ترکیب اینها باشد رفتار مواد با توجه به میزان بارگذاری می‌تواند متفاوت باشد به طور مثال اگر تغییر شکل ایجاد شود و این تغییر شکل بعد از اینکه نیروی خارجی برداشته میشود به حالت اول برگردد به این نوع تغییر شکل الاستیک می‌گویند ولی اگر تغییر شکل به حدی باشد که با اضافه کردن نیروهای بیشتر شود اما با برداشتن آن به حالت اول بر نگردد به این و تغییر شکل پلاستیک می گویند که روابط خاصی در رفتارهای متفاوت وجود دارد.

این گرایش در مقاطع بالاتر طراحی کاربردی نامیده می شود که هدفش تربیت آزمایشگاهی متخصصانی است که بتوانند در مراکز تولید و کارخانه ها اجزاء و مکانیزم ماشین آلات مختلف را طراحی کنند. درس های این رشته شامل دروس نظری، آزمایشگاهی، کارگاه و پروژه و کارآموزی است. فارغ التحصیلان این رشته پس از تحصیل می توانند در کارخانجاتی مثل خودروسازی، صنایع نفت، ذوب فلزات و صنایع غذایی و غیره مشغول به کار شوند و برای این دوره امکان ادامه تحصیل تا سطح کارشناسی ارشد و دکتری در داخل یا خارج از کشور وجود دارد.

این افراد باید برای رسیدن به موفقیت در دروس جبر و مثلثات، هندسه، فیزیک و مکانیک قوی باشند و به زبان خارجی مسلط شوند. دروس مقاومت مصالح، طراحی و دینامیک از مهمترین درس های این رشته است و برای این رشته بازارکار خوبی وجود دارد.

مهندس طراحی جامدات و باید با همه نیروها و گشتاورهای که به اعضای ماشین وارد میشود آشنا باشه با آنها را بررسی کنند و بهترین قطعه را تولید کند این گرایش به طراحی ماشین آلات و اجزای آن ها و ارتعاش ماشین آلات دینامیک آنها می پردازند بدانید که دو گرایش طراحی جامدات و حرارت و سیالات رشته مکانیک فقط 20 واحد درسی متفاوت با یکدیگر دارند و به همین دلیل می‌توان گفت که فارغ‌التحصیلان این رشته می‌توانند بازار کار نسبتا مشترکی داشته باشند. دروس این دوره شامل دروس نظری، آزمایشگاهی، کارگاه و پروژه و کارآموزی است.
فارغ‌التحصیلان این رشته قادرند در کارخانجات مختلفی مثل خودروسازی، صنایع نفت، ذوب فلزات و صنایع غذایی و غیره مشغول به کار شوند و برای این دوره امکان ادامه تحصیل تا سطح کارشناسی ارشد و دکتری در داخل یا خارج از کشور وجود دارد. موفقیت این افراد در گرو تسلط بر دروس جبر و مثلثات، هندسه، فیزیک و مکانیک و همچنین آشنایی و تسلط آنان به زبان خارجی است. دروس مقاومت مصالح، طراحی و دینامیک از مهمترین درسهایشان است.

کاربرد و زمینه فعالیت گرایش مهندسی مکانیک جامدات
این گرایش در همه ی صنایع سهم دارد. مثلا در صنایع خودروسازی، هوافضا، دریانوردی، نظامی، نیروگاهی، ساختمان سازی، لوازم خانگی و …. به طور مستقیم و در برخی دیگر مانند صنایع پتروشیمی، پزشکی، داروسازی، هسته ای و … به طور غیرمستقیم.

نقش یک مهندس مکانیک در صنایع هوافضا جهت تولید یک محصول به شرح زیر است:

1) مطالعه و شناخت مساله و ارائه راه حل عملیاتی

2) فرآیند طراحی محصول اعم از طراحی مفهومی ، طراحی اولیه و طراحی دقیق

3) طراحی و تامین تجهیزات ، ماشین آلات و روش های تولید محصول با در نظر گرفتن پارامتر هزینه

4) تست و ارزیابی محصول تولیدی بر اساس استاندارد های مربوطه

5) تهیه تجهیزات و ماشین آلات مورد نیاز صنعت

تفاوت گرایش جامدات با دیگرگرایش های مهندسی مکانیک

گرایش جامدات بابقیه گرایش مهندسی مکانیک مکانیک تفاوت هایی دارند که از جمله این تفاوت ها این است که در گرایش جامدات به طراحی سازه و تجهیزات می پردازیم در مقابل آن بارگذاری خارجی مقاومت از خود نشان می دهد. وقتی که سازه در برابر بارگذاری خارجی از خود نشان می دهد با عنوان تنش شناخته می‌شود که به صورت نیرو بر واحد سطح تعریف می شود که لازم است بگوییم گرایش های دیگری مثل گرایش سیالات به بررسی مطالعه رفتاری مواد می‌پردازند که مقاومت در مورد بارگذاری خارج از خودشان نشان نمی‌دهند و گرچه ساخت و تولید هم که به تجهیزات و قالب های مواد سر و کار دارند.

نرم افزارهای مورد استفاده درگرایش جامدات

نرم افزار های مورد استفاده در حوزه جامدات را می توان به دو دسته تقسیم بندی نمود :

الف)نرم افزارهای مدلسازی

قابلیت های مهم این نرم افزارها شامل مدلسازی، مونتاژپذیری و نقشه کشی است. مهترین و پرکاربردترین آنها به این ترتیبند:

CATIA وSOLIDWORKS وAUTOCAD  و WORKING MODEL 

ب)نرم افزارهای تحلیل

شبیه سازی و مطالعه رفتاری سازه مورد مطالعه از ویژگی های مهم این نرم افزار ها می باشد که مهمترین آنها عبارتند از :

ABAQUS وANSYS WORKBENCH وHYPERWORLS DYNA  و NASTRAN  وADAMS  و MATLAB و MATHEMATICA و MAPLE 

 بازار کار مهندسان مکانیک گرایش مکانیک

هم اکنون که با گرایش جامدات مهندسی مکانیک آشنا شدی بهتر متوجه می‌شوید که این رشته می‌تواند در صنایع مختلف بازار کار مناسبی را داشته باشد به طوری که این رشته با همه صنایع در ارتباط هست و زمینه فعالیت آن بسیار گسترده است که از جمله آنها می‌توان به مواردی همچون طراحی وسایل، تجهیزات و ماشین آلات مورد استفاده در صنایع مختلف مثل خودروسازی، هواپیمایی، نیروگاهها، پالایشگاهها و … اشاره کرد. با ظهور فناوریهای جدید مثل رباتیک و فناوری نانو ، عرصه ای جدید برای مهندسان مکانیک فراهم شده است که بازار کارشان بهتر شود.

درامد و تحقیق

حقوقی که مهندسین مکانیک دریافت می‌کنند در بخش‌های خصوصی بسیار متفاوت است هر شرکتی با توجه به هدفی که دنبال می‌کند و نوع پروژه که تعریف می کند، دستمزد متفاوتی را برای افراد مشخص می‌کند که این دستمزد اصولا ارتباط با سابقه کار، میزان تحصیلات و توانایی افراد دارد.
طبق آخرین آمار یک مهندس مکانیک که به عنوان کارشناس در حوزه های مختلف شاغل می شود به طور مانگین بین 800000 تومان تا 4000000 تومان حقوق میگیرد و اگر این افراد کارآفرین باشند و کار مستقلی در حوزه تخصصی شان، راه اندازی کرده باشند، شرایط متفاوت است و آنها با توجه به میزان فعالیت، تخصص، تلاش و پشتکارشان، درآمدهای متفاوتی دارند.

منبع:

https://www.imoshavere.com/%D9%85%D9%87%D9%86%D8%AF%D8%B3%DB%8C%E2%80%8C-%D9%85%DA%A9%D8%A7%D9%86%DB%8C%DA%A9%E2%80%8C-%DA%AF%D8%B1%D8%A7%DB%8C%D8%B4%E2%80%8C-%D8%B7%D8%B1%D8%A7%D8%AD%DB%8C%E2%80%8C-%D8%AC%D8%A7%D9%85%D8%AF%D8%A7%D8%AA%E2%80%8C-HJY149

لزجت

پردیس فناوری کیش ارتباط با صنعت

ویسکوزیته ، لزجت یا گرانروی یک سیال (مایع یا گاز)، پارامتری است که میزان مقاومت آن را در مقابل جاری شدن نشان می‌دهد. این پارامتر، یکی از مهمترین پارامترهایی است که خواص سیال را بیان می‌کند و از آن در اکثر مسائل مکانیک سیالات استفاده می‌شود. ویسکوزیته را می‌توان درتحلیل ابعادی برای محاسبه اعداد بی‌بعد مختلفی مانند عدد رینولز استفاده کرد، همچنین این مفهوم، کاربرد بسیار زیادی در تحلیل میدان جریان به کمک معادلات ناویر-استوکس درعلم دینامیک سیالات مهندسی نیز دارد. بنابراین می‌توان ویسکوزیته را یکی از پایه‌ای‌ترین مفاهیم مکانیک سیالات دانست.

ویسکوزیته چیست؟

همانطور که اشاره شد، ویسکوزیته یا لزجت یک سیال (مایع یا گاز)، میزان مقاومت آن را در مقابل جاری شدن بیان می‌کند. زمانی که جسمی درون یک سیال به حرکت در می‌آید، سیال اطراف این جسم، در مقابل حرکت مقاومت نشان می‌دهد به طوری که سرعت لایه‌های مختلف سیال اطراف این جسم، متفاوت است.

رفتار سیال در یک جریان به دو مشخصه ذاتی آن، یعنی «چگالی»  و «ویسکوزیته»  بستگی دارد. برای مثال زمانی که جسم جامدی از درون یک سیال عبور می‌کند باید با نیروی مقاومت سیال مقابله کند. این مقاومت به سرعت نسبی بین سیال و جامد، شکل جامد، چگالی سیال و ویسکوزته آن بستگی دارد. مثال دیگر این است که توان لازم برای عبور سیال از درون یک مجرا به سرعت سیال، قطر مجرا، چگالی سیال و ویسکوزیته آن بستگی دارد.

برای اثبات وجود این پدیده، فرایندی را در نظر بگیرید که در آن، دو صفحه موازی و افقی در یک سیال با فاصله بسیار کم Y قرار داده شده‌اند. در این حالت، اگر صفحه بالا ساکن باقی بماند و صفحه پایین با سرعت u0 حرکت کند، لایه‌ای از سیال که در نزدیکی صفحه پایینی قرار دارند شروع به حرکت می‌کند و حرکت این لایه به تدریج باعث حرکت لایه‌های بالایی سیال نیز می‌شود.

مطابق شکل، در حالتی که جریان به حالت پایا می‌رسد، سرعت لایه‌ بالای سیال که در نزدیکی صفحه ساکن قرار دارد، همچنان برابر با صفر است ولی لایه پایینی سیال که در تماس با صفحه متحرک قرار دارد، با سرعت u0 حرکت می‌کند. در این حالت، اگر توزیع سرعت در لایه‌های میانی سیال را اندازه‌گیری کنیم، متوجه خواهیم شد که سرعت به صورت خطی با فاصله y از صفحه ساکن تغییر می‌کند. رابطه این سرعت را می‌توان به شکل زیر نمایش داد.

منبع:https://blog.faradars.org/viscosity/

توربو ماشین ها

پردیس فناوری کیش ارتباط با صنعت

توربوماشین‌، ماشین‌ مکانیکی دواری است که در آن‌، انرژی بین ماشین و سیال و به دلیل حرکت دینامیکی ماشین منتقل می‌شود و کاربرد بسیار زیادی در علم مکانیک وآیرودینامیک دارد. در این ماشین‌ها ممکن است انرژی از سیال کاری گرفته (مانند توربین‌ها) و یا به سیال کاری داده (مانند پمپ ها) شود. طراحی و ساخت این ماشین‌ها برای کاربردهای صنعتی بسیار پیچیده است ولی همه‌ی آن‌ها از اصول ساده و پایه‌ حاکم بر توربوماشین‌ها پیروی می‌کنند. در این مبحث به صورت ساده، به تعریف توربوماشین‌ها، معرفی انواع آن‌ها و بررسی مفاهیم اولیه حاکم بر آن‌ها پرداخته می‌شود.

توربوماشین چیست؟

همانطور که اشاره شد توربوماشین به ماشینی گفته می‌شود که انرژی مکانیکی بین سیال کاری و پره‌های چرخان آن از طریق حرکت دینامیکی این پره‌ها منتقل می‌شود. واژه توربو در نام گذاری توربوماشین‌ها حرکت چرخان این ماشین‌ها را نشان می‌دهد و همانطور که اشاره شد اصول پایه حاکم بر تمام توربوماشین‌ها یکسان است.

نکته مهمی که باید به آن توجه کرد این است که انتقال انرژی در توربوماشین‌ها از طریق تغییر در آنتالپی سیال کاری توربوماشین صورت می‌گیرد. در نهایت این انرژی در مسائل مکانیک سیالات به عنوان کار شفت شناخته می‌شود که یا مانند کمپرسورها به سیال کاری، داده و یا مانند توربین‌ها از سیال کاری، دریافت می‌شود. در شکل زیر نمایی از یک موتور جت شامل توربین (بخشی که از سیال کاری، انرژی دریافت می‌کند) و کمپرسور (بخشی که به سیال کاری، انرژی می‌دهد) نشان داده شده است.

در واقع به صورت خلاصه می‌توان توربوماشین‌ها را از نظر انتقال انرژی بین سیال کاری و ماشین به دو دسته انرژی دهنده و انرژی گیرنده تقسیم‌بندی کرد. این موضوع به صورت خلاصه در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.

نکته دیگر این است که بر هم کنش بین سیال و پره‌های توروبوماشین نیرویی به نام «نیروی برآ» را تولید می‌کند و این نیرو در برخی از توربوماشین‌ها مانند توربین‌های باد به عنوان یکی از پارامترهای اصلی برای طراحی نیروگاه‌های بادی در نظر گرفته می‌شود.

انواع توربوماشین

توربوماشین‌ها را می‌توان بر اساس سیال کاری، ساختار پوشش و جهت حرکت سیال کاری تقسیم‌بندی کرد. در ادامه به بررسی انواع مختلف این توربوماشین‌ها پرداخته می‌شود.

انواع توربوماشین‌ از نظر سیال کاری

سیال کاری در توربوماشین‌ها می‌تواند گاز (مانند توربین‌های گاز) و یا مایع (مانند توربین در یک نیروگاه آبی) باشد. همانطور که توضیح داده شد، اصول اولیه در توربوماشین‌ها یکسان و مستقل از سیال کاری است ولی متفاوت بودن سیال کاری می‌تواند باعث ایجاد تفاوت در طراحی و عملکرد توربوماشین‌ها شود.
فرض کنید که سیال کاری در یک توربوماشین‌، مایع باشد. در این حالت یکی از ملاحظات بسیار مهم در طراحی این توربوماشین‌ بررسی پدیده «کاویتاسون» است. کاویتاسیون در توربوماشین‌ها زمانی رخ می‌دهد که فشار مایع کاهش پیدا کند و به فشار بخار خود برسد. فشار بخار فشاری است که در آن مایع شروع به جوشیدن می‌کند و با بخار خود به تعادل می‌رسد.
پمپ‌ها و توربین‌های نیروگاه‌های آبی از جمله توربوماشین‌هایی هستند که سیال کاری در آن‌ها مایع است. شکل زیر توربین‌هایی را نشان می‌دهد که از آن‌ها برای گرفتن انرژی از آب و تبدیل آن به انرژی مکانیکی استفاه می‌شود.

پمپ ها نیز انواع دیگری از توربوماشین‌ها هستند که سیال کاری در آن‌ها مایع است و انرژی مکانیکی از ماشین به مایع منتقل می‌شود و در نتیجه آنتالپی سیال کاری افزایش می‌یابد. در شکل‌های زیر برخی از انواع این پمپ‌ها به تصویر کشیده شده است.

همانطور که اشاره شد سیال کاری در نوع دیگری از توربوماشین‌ها گاز است. در این شرایط، مسئله تراکم‌پذیری اهمیت پیدا می‌کند و در نتیجه، حتما باید ملاحظات خاصی در طراحی توربوماشین‌ها برای اعداد ماخ مختلف لحاظ شوند. عدد ماخ نسبت سرعت سیال در یک دمای خاص به سرعت صوت در آن دما را نشان می‌دهد. در صورتی که عدد ماخ بزرگتر از 0.3 باشد جریان تراکم‌پذیر در نظر گرفته می‌شود و در صورتی که عدد ماخ کوچکتر از 0.3 باشد جریان تراکم‌ناپذیر است.
کمپرسورها و توربین‌هایی که در نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند مانند توربین گاز و توربین بخار، از انواع توربوماشین‌هایی هستند که سیال کاری در آن‌ها گاز است. همچنین توربین‌های باد و فن‌ها نیز در این نوع تقسیم‌بندی جای می‌گیرند.

 

انواع توربوماشین‌ از نظر ساختار

بسیاری از توربوماشین‌ها شامل یک پوشش و «غلاف»هستند که اطراف پره‌های چرخان و یا روتورهای این ماشین‌ها را می‌پوشانند. هدف از قرار دادن این غلاف‌ها این است که حجم دلخواهی از سیال در مسیر پره‌های توربوماشین قرار بگیرد و مسیر سیال نیز تعیین شود. این توربوماشین‌ها را «توربوماشین‌های بسته» می‌گویند. در شکل زیر یک کمپرسور گریز از مرکز به تصویر کشیده شده است. در این کمپرسورها یک غلاف همانطور که نشان داده شده، مسیر حرکت سیال را تعیین و سیال را در جهت خاصی هدایت می‌کند.

به عنوان مثال دیگری از توربوماشین‌هایی که دارای غلاف هستند می‌توان به توربین‌های بادی اشاره کرد که در یک «اینْوِلاکس» قرار می‌گیرند. شکل زیر یک اینْوِلاکس را نشان می‌دهد. نام این ابزار از دو بخش «افزایش» و «سرعت» تشکیل شده و از آن برای افزایش سرعت و هدایت بخش دلخواهی از جریان به سمت توربین‌های باد استفاده می‌شود. توربین باد در مکانی از اینْوِلاکس قرار می‌گیرد که سرعت باد به سرعت بهینه مد نظر طراحان می‌رسد.

نکته دیگری که در بررسی ساختار توربوماشین‌ها باید به آن توجه کرد این است که آن‌ها شامل «پره‌های ساکن» هستند. علاوه بر این، توربوماشین‌ها شامل «پره‌های چرخان»  نیز هستند. در توربوماشین به «پره» ، «وِین» نیز گفته می‌شود. به قسمت دوار یک توربوماشین‌ «روتور» ، «رانِر»  یا «ایمپِلِر» گفته می‌شود.

وِین‌ها می‌توانند طوری در مسیر سیال کاری قرار بگیرند که به آن شتاب دهند. در این حالت می‌توان آن‌ها را به عنوان «نازل»  در نظر گرفت. علاوه بر این، جهت قرارگیری وین‌ها در مسیر سیال کاری می‌تواند طوری باشد که سیال با عبور از آن‌ها پخش شود. در این حالت، وین‌ها به عنوان یک «دیفیوزر»  در مسیر جریان عمل می‌کنند.

انواع توربوماشین‌ از نظر جهت حرکت سیال

توربوماشین‌ها از نظر جهت غالب حرکت سیال نسبت به محور روتور به سه دسته «جریان محوری» ، «جریان شعاعی» و یا «جریان مخلوط» تقسیم می‌شوند. در شکل زیر یک توربوماشین جریان شعاعی و یک توربوماشین جریان محوری به تصویر کشیده شده‌ است.

همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، در یک توربوماشین جریان محوری، سیال از ورودی تا خروجی نسبت به محور روتور جریان افقی خود را حفظ کرده است و در حالت جریان شعاعی، سیال به صورت محوری به ماشین وارد می‌شود و به صورت شعاعی آن را ترک می‌کند.

همچنین مدل سومی از توربوماشین‌ها نیز وجود دارد که به آن‌ها جریان مخلوط گفته می‌شود. در این نوع از توربوماشین‌ها، سرعت سیال کاری در مسیر پره‌های آن‌ به صورت ترکیبی از حالت شعاعی و محوری است.

روابط پایه

جریان واقعی در توربوماشین‌ها بسیار پیچیده است ولی در تحلیل‌ها با استفاده از برخی ساده‌سازی‌ها می‌توان به درک درستی از جریان دست پیدا کرد. همچنین پایه‌‌ای‌ترین مفهوم در توربوماشین‌ها که در تمام تحلیل‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، مفهوم مثلث سرعت است. مثلث سرعت، ارتباط بین سرعت‌های مختلف در یک ماشین دوار را نشان می‌دهد.

یک فن که با سرعت دورانی ثابت ω در حال چرخش است را مطابق شکل زیر در نظر بگیرید.

در این رابطه ω سرعت دورانی فن و r فاصله شعاعی از محور فن را بیان می‌کند. همچنین در مسائل توربوماشین، سرعت مطلق سیال با V نشان داده می‌شود. سرعت مطلق سیال، سرعتی است که توسط ناظر ساکن خارج از فن دیده می‌شود.

در مطالعات توربوماشین، سرعت نسبی سیال نیز با استفاده از W نمایش داده می‌شود. این سرعت، سرعت از دید ناظری را نشان می‌دهد که روی پره فن قرار دارد و همراه با فن در حال چرخش است.

با توجه به نکاتی که ذکر شد، ارتباط بین سرعت مطلق سیال، سرعت نسبی سیال و سرعت فن به شکل زیر قابل بیان است.

در شکل زیر مثلث سرعت در ورودی و خروجی فن نشان داده شده در شکل 1، رسم شده است. صفحه‌ a-b-c-d یک بخش از صفحه‌ استوانه‌ای این فن است. این صفحه استوانه‌ای در شکل ۱ نشان داده شده است.

در مسائل توربوماشین، فرض می‌شود که سیال در ورودی و خروجی پمپ، در امتداد پره حرکت می‌کند. بنابراین جهت سرعت نسبی (W)، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده، در نقطه‌ ۱ و ۲ به ترتیب موازی «لبه‌ حمله»  و «لبه فرار» است. فرض دیگر در این مسائل این است که سیال در فاصله یکسانی از محور دوران، به پره وارد و از آن خارج می‌شود. در توربوماشین‌های واقعی، مسیر ورود و خروج سیال ممکن است موازی با پره‌ها نباشد و سیال کاری می‌تواند در شعاع‌های متفاوتی به فن وارد و از آن خارج شود. اما ساده سازی‌هایی که در بالا به آن‌ها اشاره شد در اکثر مسائل توربوماشین مورد استفاده قرار می‌گیرد و با استفاده از این ساده سازی‌ها مثلث سرعت قابل رسم است.

در مثلث سرعت فن بالا، فرض شده است که سیال در ورودی، موازی با محور دوران به فن وارد می‌شود. نکته مهم دیگری که در این شکل نشان داده شده، این است که هندسه و سرعت دوران پره‌ فن باعث شده است که سیال تغییر جهت بدهد و جهت سرعت مطلق سیال در ورودی و خروجی (V1 و V2) متفاوت باشد.

در این مسائل، جهت دوران را با نماد θ («جهت مماسی») نمایش می‌دهند. بنابراین همانطور که مشاهده می‌شود، سرعت مطلق سیال در ورودی (V1)، هیچ ترمی در راستای مماسی ندارد ولی ترم مماسی سرعت مطلق در خروجی (V2) مخالف صفر است.

بنابراین همانطور که در شکل بالا نشان داده شده، سرعت مطلق در خروجی در جهت سرعت دورانی پره منحرف شده است. از همین رو پره، نیرویی در راستای مماسی به سیال وارده کرده که جهت یکسانی با جهت حرکت دورانی پره‌ها دارد. با توجه به موارد ذکر شده می‌توان نتیجه گرفت که در این توربوماشین انرژی مکانیکی به سیال داده شده و این توربوماشین یک پمپ است (سیال کاری این توربوماشین آب در نظر گرفته شده است).
همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، سرعت نسبی سیال در ورودی و خروجی، هم‌جهت با پره آسیاب رسم شده‌اند. نکته دیگر این است که جهت سرعت مطلق پره‌ در ورودی و خروجی یکسان و به سمت پایین است.

با دقت به این اشکال متوجه می‌شویم که سرعت مطلق سیال در ورودی، هیچ ترم مماسی ندارد ولی در خروجی آسیاب، ترم مماسی سرعت مطلق سیال برابر با صفر نیست و به سمت بالا منحرف شده است.

توجه کنید که جهت انحراف سرعت مطلق سیال با جهت حرکت پره‌ها مخالف است. در واقع در این مثال، انرژی مکانیکی از پره توربین به سیال وارد نشده است و این سیال است که نیرویی به سمت پایین به پره وارد می‌کند و نیروی عکس‌العمل آن از جانب پره به سیال در جهت بالا وارد می‌شود. بنابراین با توجه به توضیحات ارائه شده، در این توربوماشین، انرژی از سیال به پره توربوماشین وارد می‌شود.

 

بر همین اساس در صورتی که در ابتدا به توربین بودن این توربوماشین اشاره نمی‌شد، می‌توانستیم با توجه به جهت پره‌ها، جهت دوران و مثلث سرعت متوجه شویم که ماشین مورد بحث یک توربین است که انرژی را از سیال دریافت می‌کند.

منبع:https://blog.faradars.org/turbomachinery/

مکانیک شکست

پردیس فناوری کیش ارتباط با صنعت

«مکانیک شکست» ، یکی از شاخه‌های علم مکانیک است که به مطالعه مکانیسم رشد ترک در مواد مختلف می‌پردازد. در مکانیک شکست، از روش‌های تحلیل مکانیک جامدات برای محاسبه نیروهای محرک اعمال شده بر ترک و از روش‌های تجربی برای تعیین مقاومت ماده در برابر شکست استفاده می‌شود.
امروزه در علم مواد، مکانیک شکست به عنوان یک ابزار مهم برای بهبود عملکرد قطعات مکانیکی به حساب می‌آید. مکانیک شکست با اعمال قوانین فیزیکی تنش وکرنش (بخصوص تئوری‌های الاستیسیته وپلاستیسیته) به عیب و نقص‌های ساختار بلوری مواد در مقیاس میکروسکوپی، رفتار مکانیکی آن‌ها در مقیاس ماکروسکوپی را پیش‌بینی می‌کند. «شکست‌نگاری»، یکی از علوم پرکاربرد در این حوزه است که به منظور ارزیابی دلایل شکست و اعتبارسنجی پیش‌بینی‌های تئوری شکست با شکست‌های واقعی مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیش‌بینی رشد ترک یکی از مؤلفه‌های اصلی بررسی «تحمل آسیب» در اصول طراحی مکانیکی محسوب می‌شود.
به طور کلی، مکانیک شکست به دو بخش «مکانیک شکست الاستیک خطی» و «مکانیک شکست الاستیک-پلاستیک» تقسیم‌بندی می‌شود. در این مقاله شما را با مفاهیم، روابط و کاربردهای مکانیک شکست الاستیک خطی آشنا خواهیم کرد.

به طور کلی، سه حالت برای شروع رشد ترک وجود دارد:

ترک حالت اول (Mode I): حالت بازشدگی (ناشی از تنش کششی عمود بر سطح ترک)

ترک حالت دوم (Mode II): حالت لغزش (ناشی از اعمال یک تنش برشی موازی با سطح ترک و عمود بر بخش جلویی ترک)

ترک حالت سوم (Mode III): حالت پارگی (ناشی از اعمال تنش برشی موازی با سطح ترک و همچنین موازی با بخش جلویی ترک)

اهمیت مکانیک شکست

عمر مکانیک شکست به کمتر از 100 سال می‌رسد و علم نسبتاً جدیدی به حساب می‌آید. فرآیندهای ساخت، تولید، ماشین‌کاری و شکل‌دهی مواد می‌توانند منجر به ایجاد عیب و نقص‌هایی در قطعات مکانیکی شوند. در فرآیند ساختِ تمام قطعات فلزی، عیب و نقص‌های داخلی و سطحی قابل مشاهده هستند. باید توجه داشت که تمام این عیب و نقص‌ها در هنگام به کارگیری ناپایدار نخواهند بود. مکانیک شکست روشی است که تحلیل عیب و نقص‌های یک قطعه به منظور شناسایی ترک‌های ایمن (بدون احتمال رشد) و ترک‌های مستعد رشد را امکان‌پذیر می‌کند. ترک‌های مستعد رشد می‌توانند باعث رخ دادن شکست در یک قطعه یا سازه شوند. علیرغم وجود عیب و نقص‌های ذاتی یک سازه، امکان دستیابی به نتایج ایمن در تحلیل تحمل آسیب وجود دارد (وجود عیب و نقص دلیل کافی برای رخ دادن شکست نیست).

اهداف مکانیک شکست

هدف اصلی مکانیک شکست، ارائه پاسخ‌های کمی برای سؤالات زیر است:

اگر یک قطعه را تابعی از اندازه ترک‌ها در نظر بگیریم، مقاومت آن چقدر خواهد بود؟

اندازه ترک‌ها باید چقدر باشد تا قطعه تحت شرایط بارگذاری عملیاتی دوام بیاورد؟ به عبارت دیگر، حداکثر اندازه مجاز برای ترک‌ها چقدر است؟

با در نظر گرفتن یک اندازه اولیه مشخص برای ترک، مدت زمان لازم برای رشد و گسترش آن چقدر خواهد بود؟ به عبارت دیگر، حداقل اندازه قابل شناسایی ترک و حداکثر اندازه مجاز ترک چقدر است؟

اگر فرض کنیم که یک سازه قبل از به کارگیری دارای عیب و نقص‌هایی با اندازه مشخص باشد (مانند عیب‌های ناشی از فرآیند تولید)، میزان عمر سرویس‌دهی آن چقدر خواهد بود؟

در طی مدت زمان قابل دسترس برای شناسایی ترک‌ها، هرچند وقت یکبار باید سازه را از نظر وجود ترک مورد بازرسی قرار دارد؟

مکانیک شکست الاستیک خطی

مکانیک شکست الاستیک خطی به منظور تخمین مقدار انرژی مورد نیاز برای گسترش‌ها ترک‌های موجود در یک ماده شکننده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه به معرفی رویکردهای پرکاربرد در این حوزه می‌پردازیم:

معیار گریفیث

مکانیک شکست در طی جنگ جهانی اول توسط «آلن آرنولد گریفیث»، یک مهندس هوافضای انگلیسی، به منظور توصیف ساز و کار شکست مواد شکننده توسعه یافت. گریفیث شروع مطالعات خود بر روی مکانیک شکست را از دو واقعیت متناقض زیر الهام گرفت:

تنش مورد نیاز برای ایجاد شکست در یک شیشه، 100 مگا پاسکال (MPa) است.

تنش تئوری مورد نیاز برای شکستن پیوند اتمی درون یک شیشه، 10000 مگا پاسکال است.

گریفیث احساس کرد که توجیه این مشاهدات متناقض به معرفی یک تئوری جدید نیاز دارد. علاوه بر این، بر اساس آزمایش‌های صورت گرفته توسط او بر روی الیاف شیشه، نشان داده شد که با کاهش قطر الیاف، تنش مورد نیاز برای ایجاد شکست افزایش می‌یابد. از این‌رو، مقاومت کششی تک‌محوری (پارامتری پرکاربرد در پیش‌بینی شکست مواد پیش از ارائه معیار گریفیث) نمی‌توانست به عنوان یک ویژگی مستقل از مشخصات نمونه آزمایشگاهی در نظر گرفته شود. گریفیث بیان کرد که کم بودن مقاومت شکست مشاهده شده در آزمایش‌ها و همچنین وابستگی این مقاومت به اندازه نمونه، به حضور نقص‌ها و ترک‌های میکروسکوپی درون ماده مربوط می‌شود.

گریفیث برای تأیید فرضیه تأثیر ترک‌ها بر روی مقاومت ماده، یک ترک مصنوعی بر روی نمونه‌های شیشه ایجاد کرد. این ترک مصنوعی به صورت سطحی و بسیار بلندتر از دیگر ترک‌های نمونه بود. بر اساس تئوری الاستیسیته خطی، تنش و کرنش پیش‌بینی شده روی نوک یک ترک نوک‌تیز در مواد الاستیک خطی، بی‌نهایت خواهد بود. گریفیث به منظور برطرف کردن این مشکل، یک رویکرد ترمودینامیک را برای توصیف رابطه مشاهده شده توسعه داد.

برای رشد یک ترک و گسترش سطوح آن از هر دو طرف باید انرژی سطحی به اندازه کافی افزایش یافته باشد. گریفیث با حل مسئله الاستیسیته یک ترک محدود در یک صفحه الاستیک، رابطه‌ای را برای تعیین ثابت C با توجه به انرژی سطحی ترک به دست آورد. مراحل انجام رویکرد اتخاذ شده برای این محاسبات به صورت زیر خلاصه می‌شوند:

محاسبه انرژی پتانسیل ذخیره شده در یک نمونه کامل تحت بارگذاری کششی تک‌محوری

فیکس کردن مرزهای نمونه برای جلوگیری ایجاد ترک بر اثر اعمال بار

وجود ترک باعث رهاسازی تنش و کاهش انرژی الاستیک در نزدیکی سطوح ترک می‌شود. از طرف دیگر، ترک انرژی سطحی کلی نمونه را افزایش می‌دهد.

محاسبه تغییرات انرژی آزاد (انرژی سطحی – انرژی الاستیک) به عنوان تابعی از طول ترک

شکست هنگامی رخ می‌دهد که انرژی آزاد به مقدار حداکثری خود در طول بحرانی ترک برسد. با افزایش طول ترک پس از این مقدار حداکثری، انرژی آزاد کاهش خواهد یافت.

گریفیث با در نظر گرفتن مقدار 62 گیگا پاسکال برای مدول یانگ و مقدار 1 ژول بر مترمربع (J/m2) برای چگالی انرژی سطحی، مطابقت بسیار خوبی را بین تنش پیش‌بینی شده شکست و تنش آزمایشگاهی شکست برای یک نمونه شیشه مشاهده کرد.

معیار گریفیث توسط «جانسون» ، «کندال» و «رابرتس»  برای مسائل مربوط به سطوح چسبنده نیز مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج یک تحقیق صورت گرفته توسط «پوپوف» (Popof) در سال 2017 نمایش داد که به کارگیری مستقیم معیار گریفیث در یک سلول عددی، امکان دستیابی به یک رابطه بسیار قدرتمند برای روش المان مرزی را فراهم می‌کند.

اصلاحات اروین

تا اوایل دهه 1950 میلادی، مطالعات گریفیث توسط گروه بزرگی از مهندسان نادیده گرفته می‌شد. این مسئله دو دلیل کلی داشت:

برای مواد واقعی مورد استفاده در سازه‌ها، مرتبه بزرگی سطح انرژی مورد نیاز برای ایجاد شکست نسبت به انرژی سطحی بزرگ‌تر است.

در این‌گونه مواد همیشه مقداری تغییر شکل غیر الاستیک در بخش جلویی ترک وجود دارد که فرض محیط الاستیک خطی به همراه تنش‌های بی‌نهایت در نوک ترک را به کلی رد می‌کند.

تئوری گریفیث با داده‌های تجربی به دست آمده از آزمایش بر روی مواد شکننده‌ای نظیر شیشه مطابقت بسیار خوبی دارد. اگرچه برای مواد شکل پذیری مانند فولاد، مقدار انرژی سطحی پیش‌بینی شده توسط این تئوری معمولاً بسیار بزرگ است. به همین دلیل برای این‌گونه مواد از رابطه زیر استفاده می‌شود:

در طی جنگ جهانی دوم، گروهی از دانشمندان آزمایشگاه تحقیقاتی وابسته به نیروی دریایی ایالات متحده به سرپرستی «جورج رنکین اروین»، دریافتند که خاصیت پلاستیسیته نقش بسیار مهمی را در شکست مواد شکننده بازی می‌کند.

در مواد شکل‌پذیر (حتی مواردی که شکننده به نظر می‌رسند)، یک ناحیه پلاستیک در نوک ترک توسعه می‌یابد (تصویر زیر). با افزایش بارگذاری، اندازه این ناحیه بزرگ‌تر می‌شود. این افزایش اندازه تا هنگام رشد ترک و تخلیه مواد تحت کشش الاستیک در پشت نوک ترک ادامه خواهد داشت. چرخه بارگذاری و باربرداری پلاستیک در نزدیکی نوک ترک باعث اتلاف انرژی به صورت حرارت می‌شود. بنابراین، به منظور تعدیل انرژی در معادله گریفیث برای مواد شکننده باید عبارتی برای بیان اتلاف انرژی اضافه می‌شد.

در رویکرد اروین، انرژی به دو بخش زیر تقسیم می‌شود:

بخش اول: انرژی کرنش الاستیک ذخیره شده که با رشد ترک تخلیه می‌شود. این بخش، نیروی محرک ترمودینامیک برای ایجاد شکست است.

بخش دوم: انرژی اتلاف شده که شامل اتلاف انرژی پلاستیک و انرژی سطحی می‌شود. این انرژی اتلاف شده، مقاومت ترمودینامیک در برابر شکست را فراهم می‌کند.

با توجه به موارد بالا، رابطه انرژی کل به صورت زیر خواهد بود:

با توجه به رابطه بالا، فرم اصلاح شده معیار انرژی گریفیث به صورت زیر نوشته خواهد شد:

برای مواد شکننده‌ای نظیر شیشه، انرژی سطحی بر اتلاف انرژی غلبه می‌کند (2γ≈G). در نتیجه مقدار انرژی کل تقریباً برابر 2 ژول بر مترمربع خواهد بود. در مواد شکل‌پذیری مانند فولاد، اتلاف انرژی پلاستیک پارامتر غالب بوده (Gp≈G) و انرژی کل تقریباً برابر 1000 ژول بر مترمربع است. برای پلیمرهایی با دمای نزدیک به دمای انتقال شیشه، مقدار انرژی کل بین 2 تا 1000 ژول بر مترمربع تغییر می‌کند.

ضریب شدت تنش

یکی دیگر از دستاوردهای مهم اروین و همکارانش، یافتن روشی برای محاسبه مقدار انرژی قابل دسترس شکست با توجه به تنش مجانبی و میدان‌های جابجایی اطراف بخش جلویی ترک در یک جامد الاستیک خطی بود. رابطه بین عبارت مجانبی تنش نرمال در حالت اول بارگذاری و ضریب شدت تنش به صورت زیر است:

اروین کمیت K را «ضریب شدت تنش» نام‌گذاری کرد. از آنجایی که کمیت fij بدون بعد است، ضریب شدت تنش با واحد مگا پاسکال در جذر متر (MPam0.5) بیان می‌شود. با در نظر گرفتن مدل ریاضی «سخت‌کننده» نیز یک عبارت مجانبی مشابه برای میدان تنش به دست می‌آید.

آزادسازی انرژی کرنشی

بر اساس مشاهدات اروین، در صورتی که اندازه ناحیه پلاستیک اطراف یک ترک نسبت به طول آن کوچک باشد، انرژی مورد نیاز برای رشد ترک وابستگی زیادی به حالت تنش در نوک ترک نخواهد داشت. به عبارت دیگر، در این حالت می‌توان از یک راه حل کاملاً الاستیک برای محاسبه مقدار انرژی قابل دسترس شکست استفاده کرد. به این ترتیب، نرخ آزادسازی انرژی برای رشد ترک یا «نرخ آزادسازی انرژی کرنشی» (Strain Energy Release Rate) به صورت تغییرات انرژی کرنشی الاستیک بر واحد مساحت رشد ترک قابل محاسبه خواهد بود:

اروین نشان داد که رابطه بین نرخ آزادسازی انرژی کرنشی و ضریب شدت تنش برای ترک حالت اول (بازشدگی) به صورت زیر بیان می‌شود:

علاوه بر این، اروین نشان داد که نرخ آزادسازی انرژی کرنشیِ یک ترک مسطح در یک جسم الاستیک خطی برای اکثر شرایط بارگذاری عمومی را می‌توان با توجه به ضریب شدت تنش برای ترک‌های حالت اول، حالت دوم (لغزش) و حالت سوم (پارگی) بیان کرد.

در قدم بعدی، اروین فرض کرد که اندازه و شکل ناحیه اتلاف انرژی در طی شکست ترد تقریباً ثابت باقی می‌ماند. بر اساس این فرضیات، انرژی مورد نیاز برای ایجاد یک واحد سطح شکست، ثابتی است که تنها به نوع ماده بستگی دارد. این ثابت، یک ویژگی مادی جدید با عنوان «چقرمگی شکست» (Fracture Toughness) بود که با GIc نمایش داده می‌شد. امروزه، این ثابت با نام ضریب شدت تنش بحرانی (KIc) و به عنوان ویژگی معرف مکانیک شکست الاستیک خطی شناخته می‌شود (شرایط کرنش صفحه‌ای).

ناحیه پلاستیک نوک ترک

از نظر تئوری، در نقطه‌ای نزدیک به شعاع صفر، تنش موجود در نوک ترک بی‌نهایت خواهد بود. این مسئله را می‌توان به عنوان تکینگی تنش در نظر گرفت. باید توجه داشت که وجود تکینگی تنش در مسائل واقعی امکان‌پذیر نیست. به همین دلیل، در مطالعات عددی حوزه مکانیک شکست، استفاده از شکاف‌های مدور و نوک‌تیز برای نمایش ترک‌ها روش مناسب‌تری به شمار می‌رود که در آن به جای تکینگی نوک تر از یک ناحیه تمرکز تنش وابسته به هندسه استفاده می‌شود. بر اساس آزمایش‌های صورت گرفته، تمرکز تنش نوک ترک در مواد واقعی دارای یک مقدار محدود اما بزرگ‌تر از تنش اسمی اعمال شده بر روی نمونه است.

به این ترتیب، حتماً یک ویژگی یا مکانیسم خاص درون ماده وجود دارد که مانع از گسترش خود به خودی ترک می‌شود. بر اساس فرضیات، تغییر شکل پلاستیک در نوک ترک، تیزی آن را کاهش می‌دهد. این تغییر شکل پیش از هر چیزی به تنش اعمال شده در راستای مناسب (در اکثر موارد، راستای y در دستگاه مختصات کارتزین)، طول ترک و هندسه نمونه بستگی دارد. جورج اروین به منظور تخمین چگونگی گسترش ناحیه تغییر شکل پلاستیک، مقاومت تسلیم ماده را با تنش‌های میدان‌های دور در راستای y و در امتداد ترک (راستای x) برابر قرار دارد. سپس، معادله به دست آمده را نسبت به شعاع مؤثر حل کرد. 

مدل‌های ارائه شده برای مواد ایدئال، قرارگیری ناحیه پلاستیک به دست آمده از رابطه بالا در مرکز نوک ترک را تأیید می‌کنند. رابطه بالا، شعاع ایدئال تغییر شکل ناحیه پلاستیک در بخش بالایی نوک ترک را به دست می‌آورد. این شعاع در بسیاری از علوم مرتبط با سازه کاربرد دارد؛ چراکه مقدار آن تقریب خوبی برای درک نحوه رفتار ماده در هنگام اعمال تنش است. پارامترهای ضریب شدت تنش و شاخص چقرمگی ماده (KC) و تنش تسلیم (σY) اطلاعات زیادی را راجع به ماده، خواص آن و اندازه ناحیه پلاستیک نمایش می‌دهند. به همین دلیل، این پارامترها از اهمیت بالایی برخوردار هستند. به عنوان مثال، در صورت بالا بودن مقدار KC، می‌توان نتیجه گرفت که ماده چقرمه (در برابر شکست مقاوم) است. در طرف مقابل، اگر مقدار σY زیاد باشد، می‌توان به شکل‌پذیری بیشتر ماده پی برد. نسبت این دو پارامتر نیز برای تعیین شعاع ناحیه پلاستیک اهمیت دارد. در صورتی که σY کوچک باشد، نسبت مربع KC به σY (مانند رابطه بالا) بزرگ خواهد بود. در نتیجه، شعاع ناحیه پلاستیک نیز مقدار بزرگی خواهد شد. این وضعیت نشان می‌دهد که ماده می‌تواند به صورت پلاستیک تغییر شکل دهد و بنابراین چقرمه است. در مجموع، تخمین اندازه ناحیه پلاستیک در بالای نوک ترک را می‌توان به منظور تحلیل دقیق‌تر نحوه رفتار ماده در حضور ترک‌ها مورد استفاده قرار داد.

بارگذاری چرخه‌ای نیز فرآیندی مشابه با مراحل بالا را شامل می‌شود. اگر یک نمونه تحت بارگذاری چرخه‌ای دارای ترک باشد، تغییر شکل پلاستیک در محل نوک ترک رخ خواهد داد و رشد آن با تأخیر مواجه خواهد شد. در صورت وجود نوسان یا بارگذاری اضافی، مدل فعلی به میزان کمی تغییر می‌کند. دلیل این امر، مطابقت مدل با افزایش ناگهانی تنش نسبت به شرایط بارگذاری قبلی است. در بارگذاری‌های بزرگ (بارگذاری اضافی)، رشد ترک تا بیرونِ ناحیه پلاستیک ادامه می‌یابد و از محدوده تغییر شکل پلاستیک اولیه عبور می‌کند. اگر فرض کنیم که بزرگی تنش اضافی برای ایجاد شکست کامل در نمونه کافی نباشد، ترک در محل نوک جدید خود تحت تأثیر تغییر شکل پلاستیک بیشتر قرار می‌گیرد. این مسئله باعث بزرگ‌تر شدن ناحیه تنش‌های پسماند پلاستیک می‌شود. فرآیند مذکور، چقرمگی و عمر ماده را افزایش می‌دهد؛ چراکه ناحیه پلاستیک جدید از ناحیه پلاستیک در شرایط اعمال تنش عادی بزرگ‌تر خواهد بود. علاوه بر این، افزایش ناحیه پلاستیک، ظرفیت ماده در برابر تحمل بارگذاری چرخه‌ای را نیز بهبود می‌بخشد.

چقرمگی شکست و روش‌های آزمایش آن

چقرمگی خاصیتی است که میزان مقاومت یک ماده در برابر شکست را بیان می‌کند. این خاصیت مکانیکی، از اهمیت بالایی در مسائل مهندسی برخوردار است. چندین روش مختلف آزمایش برای اندازه‌گیری چقرمگی شکست ماده وجود دارد. در این آزمایش‌ها معمولاً از یک نمونه شیاردار در یکی از چندین پیکربندی موجود استفاده می‌شود. با توجه به اهداف مقاله پیش رو، در این بخش به معرفی روش‌های تعیین چقرمگی شکست کرنش صفحه‌ای (KIc) خواهیم پرداخت.

هنگامی که یک ماده پیش از شکست، رفتار الاستیک خطی از خود به نمایش می‌گذارد (مانند حالتی که ناحیه پلاستیک در مقایسه با ابعاد نمونه کوچک است)، مقدار بحرانی ضریب شدت تنش برای ترک حالت اول را می‌توان به عنوان یک پارامتر شکست مناسب در نظر گرفت. این روش با توجه به ضریب شدت تنش بحرانی برای کرنش صفحه‌ای، یک معیار کمی از چقرمگی شکست را ارائه می‌کند. به منظور اطمینان از معنادار بودن نتایج باید پس از اتمام هر آزمایش، اعتبارسنجی‌های مورد نیاز صورت گیرد. ابعاد نمونه باید ثابت و به اندازه‌ای بزرگ باشند که شرایط کرنش صفحه‌ای در نوک ترک را تضمین کنند. این الزامات باعث محدودیت در نحوه اجرای آزمایش می‌شوند.

نکته اصلی در آزمایش‌های مبتنی بر چقرمگی شکست (K) این است که باید از قرار داشتن شکست‌های نمونه تحت شرایط الاستیک خطی اسمی اطمینان حاصل کرد. این مسئله لزوم کوچک بودن ناحیه پلاستیک در مقایسه با مقطع نمونه را نشان می‌دهد.

آزمایش چقرمگی شکست در شرایط کرنش صفحه‌ای

نمونه‌های خمش شکاف تک لبه‌ای (SENB یا خمش سه‌نقطه‌ای) و نمونه‌های فشرده کششی (CT)، متداول‌ترین پیکربندی‌های آزمایش چقرمگی شکست هستند. برای تعیین دقیق چقرمگی شکست کرنش صفحه‌ای باید نمونه‌ای را انتخاب کرد که ضخامت آن از یک مقدار بحرانی (B) بیشتر باشد. بر اساس آزمایش‌های صورت گرفته، شرایط کرنش صفحه‌ای در صورت صادق بودن رابطه زیر کاربرد دارد:

هنگامی که یک ماده با چقرمگی شکست مجهول مورد آزمایش قرار می‌گیرد، از نمونه‌ای با ضخامت مقطع کامل یا اندازه‌ای متناسب با چقرمگی پیش‌بینی شده آن استفاده می‌شود. اگر مقدار چقرمگی شکست حاصل از آزمایش در رابطه بالا صدق نکند، باید آزمایش را با یک نمونه ضخیم‌تر تکرار کرد. هنگامی که یک آزمایش قادر به برطرف کردن الزامات مورد نیاز (مانند ضخامت) به منظور اطمینان از وجود شرایط کرنش صفحه‌ای نباشد، مقادیر به دست آمده چقرمگی شکست با KC نمایش داده خواهند شد.

منبع: https://blog.faradars.org/linear-elastic-fracture-mechanics/

پردیس فناوری کیش ارتباط با صنعت

خستگی
رفتار یک سازه در هنگام بارگذاری نه تنهابه طبیعت موادتشکیل‌دهنده بلکه به ویژگی‌های بارهای اعمال شده نیز بستگی دارد. یکی از معیارهای تشخیص نوع بارگذاری، ثابت یا متغیر بودن بار در طی زمان است. به طور کلی، نحوه اعمال بار به مواد مختلف را می‌توان به دو گروه «بارگذاری استاتیک» و «بارگذاری دینامیک» تقسیم‌بندی کرد. در بارگذاری استاتیک، بار به آرامی بر روی سازه اعمال می‌شود و هیچ لرزشی درون سیستم رخ نمی‌دهد. در این شرایط، میزان بار به تدریج از 0 تا حداکثر مقدار مورد نظر افزایش می‌یابد و سپس در همان مقدار حداکثری ثابت باقی می‌ماند.
شرایط بارگذاری دینامیک با بارگذاری استاتیک متفاوت است. این نوع بارگذاری انواع مختلفی دارد. در برخی از موارد، اعمال بار و توقف آن به صورت ناگهانی صورت می‌گیرد. به بارهای اعمال شده در این شرایط، «بارهای ضربه‌ای» گفته می‌شود. بارهای ضربه‌ای در هنگام برخورد دوشی به یکدیگر یا اصابت یکشی در حال سقوط به یک سازه ایجاد می‌شوند.در موارد دیگر بارگذاری دینامیک، اعمال بار برای دوره‌های طولانی‌مدت صورت می‌گیرد و شدت آن به طور پیوسته تغییر می‌کند. به بارهای اعمال شد در این شرایط، «بارهای متناوب» گفته می‌شود. بارهای متناوب توسط ماشین‌آلات چرخشی، ترافیک، تندباد، امواج آب، زلزله و فرآیندهای تولید قطعات به وجود می‌آیند.
انواع بارهای تکراری
در شکل زیر، برخی از الگوهای متداول بارگذاری تکراری نمایش داده شده است. نمودار الف، بارگذاری، باربرداری و بارگذاری مجدد در یک جهت ثابت همیشگی را نمایش می‌دهد. در نمودار ب، نوع دیگری از بارگذاری تکراری به تصویر کشیده است که در آن، جهت اعمال بار پس از هر چرخه تغییر می‌کند (بارگذاری معکوس یا متغیر). نمودار ج، یک بارگذاری متناوب را نشان می‌دهد. در این نوع بارگذاری، مقدار بار اعمال شده حول یک مقدار میانگین به طول متناوب کاهش و افزایش می‌یابد.

انواع بارهای تکراری: الف) اعمال بار در یک جهت ثابت؛ ب) اعمال بار معکوس یا متغیر؛ ج) اعمال بار متناوب حول یک مقدار میانگین
سازه‌هایی نظیر ماشین‌آلات، موتورها، توربین‌ها، ژنراتورها، شفت‌ها، پروانه‌ها، قطعات هواپیما، و غیره به طور معمول با بارهای تکراری سر و کار دارند. حضور بارهای تکراری در این موارد به قدری متداول است که برخی از این سازه‌ها در طول عمر عملیاتی خود چند میلیون یا حتی چند میلیارد چرخه بارگذاری را تجربه می‌کنند.
خستگی
احتمال شکست سازه‌ها در شرایط بارگذاری دینامیک در مقایسه با شرایط بارگذاری استاتیک بیشتر است. اگر فرآیند بارگذاری دینامیک در چرخه‌های زیاد تکرار شود، احتمال شکست افزایش خواهد یافت. در این موارد، شکستگی معمولاً بر اثر «خستگی» یا «ترک پیشرونده» رخ می‌دهد. به عنوان مثال، باز و بسته کردن مداوم یک گیره کاغذ، در نهایت باعث ایجاد شکست ناشی از خستگی در آن می‌شود. در صورتی که گیره تنها یک مرتبه باز شود، شکستی نمی‌دهد اما اگر جهت اعمال بار تغییر کند و چرخه بارگذاری (باز و بسته کردن گیره) چندین بار تکرار شود، گیره سرانجام می‌شکند. یکی دیگر از مثال‌های معروف در این زمینه، شکست در چرخ‌های قطار و ریل‌های راه‌آهن بر اثر قرارگیری در معرض بارگذاری‌های تکراری است.

خستگی را می‌توان به عنوان زوال ماده در حین تکرار چرخه‌های بارگذاری، ایجاد ترک‌های پیشرونده و در نهایت رخ دادن شکست تعریف کرد. در شکست ناشی از خستگی، معمولاً یک ترک میکروسکوپی در نقطه‌ای با تنش بالا (ناحیه تمرکز تنش) ایجاد می‌شود. سپس طول این ترک با تکرار چرخه‌های بارگذاری به طور تدریجی افزایش می‌یابد. با ادامه این روند، طول ترک به اندازه‌ای می‌رسد که ماده دیگر توان مقاومت در برابر بارهای اعمال شده را ندارد. در این لحظه، یک شکست ناگهانی درون ماده رخ می‌دهد (مانند تصویر زیر). زمان رخ دادن شکست خستگی به ماهیت ماده بستگی دارد و تعداد چرخه‌های مورد نیاز برای رخ دادن شکست از چند چرخه تا چند صد میلیون چرخه تغییر می‌کند.

منحنی S-N
مقدار بار مورد نیاز برای ایجاد شکست ناشی از خستگی کمتر از ظرفیت باربری استاتیک ماده است. میزان بار شکست معمولاً از طریق اجرای آزمایش بر روی ماده تعیین می‌شود. در بارگذاری تکراری، نمونه در چندین سطح تنش مورد آزمایش قرار می‌گیرد. سپس، تعداد چرخه‌های مورد نیاز برای رخ دادن شکست در هر سطح تنش ثبت می‌شود. به عنوان مثال، فرض کنید که پس از قرار یک نمونه درون دستگاه آزمایش خستگی، اعمال بارهای تکراری تا سطح تنشی مانند σ1 صورت می‌گیرد. در این حالت، بارگذاری تا لحظه رخ دادن شکست در چرخه n ام ادامه می‌یابد. این آزمایش برای یک نمونه دیگر تا سطح تنش σ2 تکرار می‌شود. اگر σ2 بزرگ‌تر از σ1 باشد، تعداد چرخه‌های مورد نیاز برای رخ دادن شکست کاهش خواهد یافت. در صورتی که σ2 کوچک‌تر از σ1 باشد، تعداد چرخه‌های مورد نیاز برای رخ دادن شکست بیشتر خواهد شد. در نهایت، با جمع‌آوری اطلاعات کافی، «منحنی دوام» یا «منحنی S-N» ماده رسم می‌شود. حرف S بیانگر تنش شکست و حرف N نمایش‌دهنده تعداد بارگذاری‌های مورد نیاز برای رخ دادن شکست است. محور عمودی این منحنی معمولاً با مقیاس خطی و محور افقی آن با مقیاس لگاریتمی نمایش داده می‌شود.
بر اساس منحنی نمایش داد شده در شکل زیر، هر چه میزان تنش کوچک‌تر باشد، تعداد چرخه مورد نیاز برای ایجاد شکست افزایش می‌یابد. در برخی از مواد، این منحنی دارای یک مجانب افقی به نام «حد خستگی»  یا «حد دوام»است. در صورت اعمال بارهای تکراری با مقادیر پایین‌تر از حد خستگی، هیچ‌گونه شکستی درون ماده رخ نخواهد داد. شکل دقیق منحنی S-N به عوامل متعددی نظیر خصوصیات ماد، هندسه نمونه مورد آزمایش، سرعت انجام آزمایش، الگوی بارگذاری و وضعیت سطح نمونه بستگی دارد.

منحنی S-N فولاد و آلومینیوم
در شکل زیر، منحنی‌های S-N برای فولاد و آلومینیوم نمایش داده شده است. محور عمودی این نمودار، تنش شکست را به صورت درصدِ تنش نهایی ماده و محور افقی آن، تعداد چرخه‌های مورد نیاز برای ایجاد شکست را نمایش می‌دهد. توجه داشته باشید که محور افقی بر اساس مقیاس لگاریتمی رسم شده است. منحنی مربوط به فولاد در نزدیکی 7^10 چرخه به صورت افقی درمی‌آید. از این‌رو می‌توان حد خستگی فولاد را حدود 50 درصد تنش نهایی در شرایط بارگذاری استاتیک در نظر گرفت. مقدار حد خستگی آلومینیوم در منحنی نمایش داده شده به خوبی منحنی فولاد مشخص نیست. با این وجود، حد خستگی آلومینیوم معمولاً برابر با تنش در حدود 5×10^8 چرخه یا 25 درصد تنش نهایی است.

کمپرسور

پردیس فناوری کیش ارتباط با صنعت

«کمپرسور گاز» دستگاهی مکانیکی است که از طریق کاهش حجم، فشار گاز را افزایش می‌دهد. فشرده‌سازی گاز به طور طبیعی باعث افزایش دمای آن می‌گردد.
کمپرسورها از این لحاظ که فشار سیال را افزایش داده و باعث حرکت سیال داخل لوله می‌شوند مشابه پمپ‌ها هستند. از آنجا که گازها قابل فشرده‌سازی به شمار می‌روند، کمپرسور می‌تواند حجم گاز را کاهش دهد؛ این در حالی است که مایعات نسبتا غیر قابل تراکم هستند و از یک پمپ انرژی مورد نیاز را دریافت می‌کنند. پمپ در سیالات تراکم‌ناپذیر منجر به جریان یافتن سیال در خطوط لوله می‌گردد.
کمپرسورهای گاز برای طیف وسیعی از کاربردها از جمله: انتقال گاز طبیعی از طریق خط لوله، ذخیره‌سازی گازهای خالص در حجم‌های کوچک، فشرده کردن هوای ورودی در «توربین‌های گاز» (Gas Turbines)، کابین هواپیمای تحت فشار، جابجایی حرارت در سیستم‌های تبرید، ذخیره هوا در زیردریایی‌ها و تهیه هوای فشرده برای ترمزهایی که با هوا کار می‌کنند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

طراحی کمپرسور

انواع مختلفی از کمپرسورهای گاز وجود دارد. بعضی از انواع مهم این دسته از تجهیزات دوار در ادامه مورد بحث قرار می‌گیرند.

کمپرسورهای گریز از مرکز

«کمپرسورهای سانتریفیوژ» از یک دیسک چرخشی یا یک پروانه که در یک محفظه قرار دارد استفاده می‌کنند تا گاز را به لبه پروانه هدایت کند و سرعت گاز را افزایش دهد. «دیفیوزر» یا کانال واگرا انرژی ناشی از سرعت را به انرژی فشاری تبدیل می‌کند. این دسته از کمپرسورها عمدتا برای سرویس‌های پیوسته در زمینه‌های صنعتی مانند پالایشگاه‌های نفتی، کارخانه‌های شیمیایی و پتروشیمی‌های فرآیندی گاز طبیعی استفاده می‌شوند. در شکل زیر یک نوع کمپرسور گریز از مرکز چندمرحله‌ای را مشاهده می‌کنید.

دامنه کاربردی کمپرسورهای گریز از مرکز می‌تواند از 100 اسب بخار (75 کیلووات) تا هزار اسب بخار گسترده شود. کمپرسورهای چند مرحله‌ای، می‌توانند فشار خروجی بسیار بالایی (بیش از 10،000 پوند در هر اینچ مربع) برای هدایت سیال بسازند. در بسیاری از دستگاه‌های برف ساز بزرگ (مانند استراحتگاه اسکی‌بازان) از این نوع کمپرسور استفاده می‌شود. این تجهیزات همچنین در «موتورهای احتراق داخلی»  به‌عنوان «سوپرشارژرها»  و «توربوشارژرها»  استفاده می‌شوند. کمپرسورهای سانتریفیوژ در موتورهای کوچک توربین گاز یا به عنوان آخرین مرحله فشرده‌سازی توربین‌های گازی متوسط استفاده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کمپرسورهای جریان مختلط

«کمپرسورهای جریان مختلط»  شبیه به کمپرسورهای سانتریفیوژ هستند، اما علاوه بر سرعت شعاعی، سرعت محوری هم در خروجی از روتور دارند. اغلب دیفیوزر برای تبدیل جریان مختلط به جهت محوری استفاده می‌شود. قطر دیفیوزر کمپرسور جریان مختلط نسبت به کمپرسور جریان شعاعی کوچک‌تر است.

کمپرسورهای جریان محوری
«کمپرسورهای جریان محوری»  از نوعی تیغه چرخان فن مانند برای فشرده‌سازی جریان گاز استفاده می‌نمایند. تیغه‌های ثابت متصل به بدنه بعد از هر پره متحرک، جریان را بر روی مجموعه‌ی بعدی پره‌های متحرک هدایت می‌کنند. سطح گاز عبوری در طول کمپرسور کاهش می‌یابد تا «مقدار عدد ماخ »ثابت بماند. کمپرسورهای جریان محوری به طور معمول در کاربردهایی با دبی‌های بالا مانند موتورهای توربو گاز متوسط و بزرگ استفاده می‌شود. این تجهیزات معمولا چند مرحله‌ای هستند. در نسبت فشارهای طراحی بالاتر از 1 به 4، اغلب از هندسه متغیر برای بهبود عملکرد استفاده می‌گردد.

کمپرسورهای رفت و برگشتی
«کمپرسورهای رفت و برگشتی» از پیستونی متحرک به همراه «میل‌لنگ» استفاده می‌کنند. آن‌ها می‌توانند یا ثابت یا قابل حمل، تک مرحله‌ای و یا چند مرحله‌ای، متحرک توسط موتورهای الکتریکی یا موتورهای احتراق داخلی باشند. کمپرسورهای کوچک رفت و برگشتی از 5 تا 30 اسب بخار معمولا در کاربردهای خودرویی و معمولا برای وظایف مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. کمپرسورهای رفت و برگشتی بزرگ‌تر تا 1000 اسب بخار معمولا در صنایع بزرگ یافت می‌شوند، اما تعداد آن‌ها به مرور کاهش می‌یابد و توسط سایر کمپرسورها جایگزین می‌شوند. فشار خروجی می‌تواند از فشار کم تا فشارهای بسیار بالا (بیش از psi 5000 یا Mpa 35) باشد. در بعضی موارد خاص مانند فشرده‌سازی هوا، کمپرسورهای دو عملگر چند مرحله‌ای کارآمدتر و به طور معمول بزرگ‌تر، پر سروصدا و گران‌تر از کمپرسورهای گریز از مرکز هستند.

کمپرسورهای پیچی
«کمپرسورهای دوار پیچی»از دو مارپیچه حلقوی برای جابجایی گاز به فضای کوچک‌تر استفاده می‌کنند. آن‌ها معمولا برای جریان پیوسته در کاربردهای تجاری و صنعتی استفاده می‌شوند و ممکن است ثابت یا قابل حمل باشند. کاربرد آن‌ها می‌تواند از 3 اسب بخار (2.24 کیلووات) تا بیش از 500 اسب بخار (375 کیلووات) و از فشار کم تا فشار بسیار بالا (psi1200 یا Mpa 8.3) متغیر باشد. معمولا برای تأمین هوای تجهیزات ابزار دقیق از این تجهیزات استفاده می‌شود. این نوع از کمپرسور نیز برای بسیاری از سوپرشارژرهای موتور خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا به راحتی با ظرفیت القایی یک موتور پیستونی سازگار است.

کمپرسورهای مارپیچ
«کمپرسور اسکرول»  (مارپیچ) که با نام‌های «پمپ اسکرول» و «پمپ خلأ اسکرول»  نیز شناخته می‌شوند، از دو تیغه شفت مارپیچی مشابه استفاده می‌کند تا به فشرده‌سازی مایعات و گازها کمک کند. هندسه تیغه ممکن است «اینولوت» ، «مارپیچی ارشمیدس»  یا منحنی‌های ترکیبی باشد.

این نوع از کمپرسورها راحت‌تر، بی سروصداتر و قابل اطمینان‌تر از انواع دیگر کمپرسورها کار می‌کنند. اغلب یکی از تیغه‌های اسکرول ثابت می‌ماند، در حالی که دیگری به طور غیر هم مرکز حرکت می‌کند؛ ازین طریق سیال بین دو تیغه پمپ یا کمپرس می‌شود.

کمپرسورهای دیافراگمی
«کمپرسور دیافراگمی» که به عنوان یک «کمپرسور غشایی» نیز شناخته می‌شود نوعی از کمپرسورهای رفت و برگشتی است. فشرده‌سازی گاز به‌وسیله حرکت دیافراگم انعطاف‌پذیر صورت می‌پذیرد. حرکت عقب و جلو دیافراگم توسط یک میله و یک مکانیسم میل‌لنگ انجام می‌شود. تنها دیافراگم و جعبه کمپرسور در تماس با گاز فشرده هستند.

 

کمپرسورهای دیافراگمی برای هیدروژن و گاز طبیعی فشرده (CNG) نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. عکس موجود در این بخش یک کمپرسور دیافراگمی سه مرحله‌ای است که برای فشرده‌سازی گاز هیدروژن به PSI 6000 یا 41 مگاپاسکال برای استفاده در نمونه اولیه ایستگاه سوخت‌گیری هیدروژن و گاز طبیعی فشرده (CNG) در مرکز شهر فونیکس، آریزونا توسط شرکت خدمات عمومی آریزونا (یک شرکت تأسیساتی برقی) ساخته شده است. برای ایستگاه سوخت‌رسانی نمونه اولیه، کمپرسورهای رفت و برگشتی برای فشرده‌سازی گاز طبیعی مورد استفاده قرار گرفتند. ایستگاه سوخت‌رسانی جایگزین نمونه اولیه مطابق با کلیه قوانین ایمنی، زیست‌محیطی و ساختمان در فینیکس ساخته شده است .

متفرقه

کمپرسورهای هوایی که به عموم مردم فروخته شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند، اغلب در بالای مخزن برای نگه داشتن هوای تحت فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند. دو نوع کمپرسور، روغنی و بدون روغن وجود دارد. «کمپرسورهای بدون روغن» (Oil-free compressors) مطلوب‌تر هستند، زیرا روغن می‌تواند به جریان هوا وارد شود و آن را آلوده کند. در موارد خاص در کمپرسور هوای غواصی، کمترین میزان روغن مایع در هوا غیر قابل قبول است.
دما
«قانون چارلز» (Charles’s law) می‌گوید:

نقل قول:وقتی گاز فشرده می‌شود، درجه حرارت آن افزایش می‌یابد.

سه حالت ممکن است بین دما و فشار در یک حجم معین گاز تحت فشرده‌سازی به وجود آید.
«هم‌دما»: دمای گاز در طول فرایند ثابت نگه داشته می‌شود زیرا انرژی داخلی ثابت است و به همان اندازه که کار مکانیکی جهت فشرده‌سازی به سیستم اضافه می‌شود، به عنوان گرما حذف می‌شود. در فشرده‌سازی ایزوترمال (انبساط) یک سطح بزرگ مبدل حرارتی، یک حجم کوچک گاز یا مقیاس طولانی‌مدت ملاک است. با استفاده از ابزارهای در دسترس واقعی، فشرده‌سازی ایزوترمال معمولا قابل دستیابی نیست. به عنوان مثال، حتی در هنگام پمپ هوا به داخل یک تایر دوچرخه، هوا گرم می‌شود.
«آدیاباتیک»: در این فرآیند، هیچ گرمایی به سیستم اضافه و یا از آن خارج نمی‌شود، بدین معنا که تمام کار مکانیکی فشرده‌سازی باعث افزایش انرژی داخلی به صورت افزایش دما یا فشار گاز است. فشرده‌سازی یا انبساط آدیاباتیک با استفاده از یک عایق خوب در یک حجم بزرگ گاز یا انجام فرایند در یک مقیاس زمانی کوتاه (یک سطح قدرت بالا) به دست می‌آید. در عمل همیشه یک مقدار مشخصی از جریان گرما به وجود می‌آید، زیرا ساخت یک سیستم آدیاباتیک کامل نیاز به عایق کردن کامل تمام قسمت‌ها دارد.
«پلی تروپیک»: در این مورد فرض می‌شود که گرما ممکن است وارد سیستم یا از آن خارج شود و کار شفت ورودی می‌تواند به صورت افزایش فشار (معمولا کار مفید) و افزایش دمایی بالاتر از دمای آدیاباتیک ظاهر شود. پس بازده چرخه، نسبت افزایش دمای تئوریکی (آدیاباتیک) به واقعی (پلی تروپیک) در نظر گرفته می‌شود.

فشرده‌سازی مرحله به مرحله
از آنجایی که فشرده‌سازی گرما تولید می‌کند، خنک‌سازی گاز فشرده بین مراحل باعث افزایش راندمان و فشرده‌سازی هم‌دما می‌گردد. خنک‌سازی بین مرحله‌ای باعث مقدار کمی تقطیر می‌شود که با استفاده از شیرهای تخلیه مایع به بیرون ارسال می‌گردد. «فلایویل» کمپرسور ممکن است توسط یک فن خنک‌کننده به حرکت درآید. به عنوان مثال در یک کمپرسور معمولی غواصی، هوا در سه مرحله فشرده می‌شود. اگر هر مرحله دارای نسبت فشرده‌سازی 1 به 7 باشد، کمپرسور می‌تواند 343 بار فشار اتمسفری (343=7*7*7) را تولید کند.
محرک‌های اولیه
گزینه‌های زیادی برای محرک‌های اولیه کمپرسور یا موتورهای محرک کمپرسور وجود دارد.
توربین‌های گاز که محرک کمپرسورهای جریان محوری و گریز از مرکز هستند و در واقع قسمتی از «موتور جت» به حساب می‌آیند.
«توربین‌های بخار»  یا «توربین‌های آب» که می‌توانند برای کمپرسورهای بزرگ استفاده شوند.
موتورهای الکتریکی منابع ارزان و کم‌صدایی برای کمپرسورهای ثابت هستند. موتورهای کوچک، مناسب وسایل الکتریکی خانگی جریان متناوب تک فاز در نظر گرفته می‌شوند. موتورهای بزرگ‌تر تنها می‌توانند در جایی استفاده شوند که منبع جریان متناوب سه فازی در دسترس باشد.
موتورهای دیزلی یا موتورهای بنزینی برای کمپرسورهای قابل حمل مناسب هستند.

منبع:/https://blog.faradars.org/gas-compressor