بگذارد، به وسیله دستگاه جریان سنج سیم داغ مشخص می شود. قابل ذکر است هنگامی که سرعت جریان سیال کاهش می یابد، حساسیت روشهای دیگر به تغییر شرایط جریان، کم می شود. ولی حساسیت دستگاه جریان سنج سیم داغ با کاهش سرعت، افزایش می یابد. بنابراین بهتر است برای اندازه گیری ومطالعه جریان سیال در سرعتهای پایین، از دستگاه جریان سنج سیم داغ استفاده شود[۲].
عدد رینولدز و اساس دینامیک سیالات
سازههای مهندسی که بدون خطوطی هستند تا مقاومت سیال گذرنده از روی خود را کاهش دهند، مانند سازههایی با مقاطع دایروی و مربع، به نام اجسام جریانبند۱ نامیده میشوند. جریان سیالی که از روی اجسام جریانبند عبمر میکنند اگر دارای رینولدز بالا باشند، در پشت انها مناطق بزرگی از جدایش جریان دیده میشود، در حالی این اتفاق میافتد که خطوط جریان از خطوط جسم پیروی نمیکنند. دو ضریب مهم که برای بررسی دینامیک جریان گذرنده از این اجسام مهم هستند عبارتنداز: سطح مقطع این اجسام و رینولدز جریان
عدد رینولدز: پارامتری بی بعد است که نسبت نیروهای داخلی به وسکوزیته سیال میباشد.
معادله ۲. معادله رینولدز Re=UD/ϑ
که در این رابطه D، قطر سیلندر و U، سرعت جریان و ϑ، ویسکوزیته سینماتیکی سیال میباشد. اگر رینولدز جریان به اندازه کافی بزرگ باشد منطقهی جدایش جریان شروع به جداشدن از جسم میکند، جریان در این منطقهی جداشده به جریان گردابی تلقی میشود. که اساسا سرعت در این منطقه پائین( نسبت به سرعت جریان آزاد)، و در حال چرخش است(سرعت زاویهای غیر صفر است). پس از جدایش، گردابه توسط جریان به پائین دست جریان حرکت میکند.
اگر جریان سیال گذرنده از روی اجسام جریانبند در حالت پایدارباشد، مکانیزم ناپایداری ویک باعث حرکت گردابهها از پشت جسم بصورت تناوبی و پریودیک میشوند. این نوع جدایش جریان از جسم منجر به ریزش گردابهها در ارایش شطرنجی از پشت جسم میشود، که به سمت پائین دست جریان در حرکت هستند، این حرکت را مسیر گردابهای فون کارمن۲ گویند. فرایند ریزش گردابهها باعث نیرویی تناوبی بر روی جسم میشود، اگر جسم در مسیر جریان سیال دارای حالت فنری باشد، این نیروها باعث لرزش روی جسم میشود، به چنین فرایندی لرزش ایجاد شده بعلت گردابه۳ گویند.
دامنه این لرزشها به عوامل زیادی از قبیل سطح میرایی سازه، نسبت جرم جسم به سیال، مقدار نیروی سیال و نزدیکی فرکانس ریزش گردابهها به فرکانس طبیعی لرزش جسم بستگی دراد.نیروهای سیال در جهت عرضی را لیفت، و در جهت جریان را درگ مینامند. که این نیروها میتوانند باعث لرزش در هر دو جهت بشوند. نوسانات بوجود امده از درگ معمولا خیلی کوچکتر از نوسانات بوجود امده از نیروی لیفت است.
دامنه نوسان در جهت جریان کمتر از دامنه در جهت عرضی است. طبق ازمایشات انجام شده عموما فرکانس نیروهای نوسانی در جهت جریان تقریبا دو برابر فرکانس نیروها در جهت عرضی وارده به جسم است. جسمی که در حال لرزش بواسطه نیروی القائی گردابهها است، یک پدیدهی غیر خطی را در فرآیند افزایش فرکانس نیروهای وارده بر خود میبیند، این پدیده بنام «قفل شدگی۴» شناخته میشود، در موقعب این پدیده ایجاد میشود که فرکانس ریزش گردابهها از پشت جسم با فرکانس طبیعی جسم برابر گردد.
مبانی اولیه
در سال ۱۸۷۸ اشتروهال در حال مطالعه صداهای تولید شده توسط کابلی که در حال لرزش بود، متوجه شد که فرکانس این صداهای تولید شده ، f ، با سرعت باد ، U_∞ ، نسبت مستقیم و با قطر کابل ، D ، نسبت عکس دارد. f∝ U_∞/D، فرکانس لرزش استوانه نسبت نزدیکی با فرکانس ریزش گردابه، f_s دارد. فرکانس ریزش گردابهها بر اساس یک دوره کامل ریزش گردابهها از پشت جسم تعریف میشود، کث شامل دو گردابه، هر یک از این دو گردابه از یک سمت، از پشت جسم جدا شوند. با وارد کردن فرکانس ریزش گردابهها نسبت،U_∞/D ، با نام عدد ثابت اشتروهال ، st ، شناخته میشود.
معادله ۳. عدد اشتروهال St=(D.f_s)/U_∞
عدد بی بعد اشتروهال که بر اساس فرکانس ریزش گردابهها معرفی شده است، وابستگی زیادی به عدد رینولدز جریان دارد. فرایند ریزش گردابهها تا سال ۱۹۰۸ زمانی که برنارد تود، یک سیلندر را در جریان اب قرار نداده بود، کشف نشده بود. او در جریان پائین دست سیال در پشت استوانه حرکت دسته جمعی گودالهائی را در ارایش شطرنجی مشاهده کرد، که جریان در حال جدایش از پشت استوانه بصورت نامتقارن و از دو سمت استوانه دارای سرعت چرخشی و جهت چرخش، در تضاد هم دارند. ریزش گردابهها از سطح بالایی استوانه در جهت ساعتگرد(گردابه منفی)، در حالیکه ریزش گردابه از سمت پائین استوانه در جهت پادساعتگرد(گردابه مثبت)، است. فون کارمن[۱۹۱۲] روی دو ردیف از گردابهها با جهت چرخش متفاوت مطالعه کرد، او نشان داد که فقط یک پیکربندی مشخص از گردابهها پایدار یا بصورت طبیعی پایدار هستند، که در مدلی بصورت نامتقارن شکل گرفته باشد، و نسبت فاصله بین انهاb/a=0/28056، باشد، که b ، نشان دهنده فاصله دو ردیف از گردابهها وa ، فاصله بین دو گردابه در یک ردیف باشند.(شکل(c)1). در نظر داشته باشید که پایداری فون کارمن بر اساس چشم پوشی از گردابههایی است که توسط جسم تولید شده است، وردیف گردابهها بینهایت باشد و از تاثیرات ویسکوزیته جریان چشم پوشی شده باشد. منطقه اشفته جریان اطراف جسم و پائین دست جریان که ریزش گردابهها از روی استوانه است را به سه منطقه تبدیل کردیم (شکل(c)1)، لایه مرزی چسبیده، لایههای برشی در حال جدایش یا ازاد (لایه مرزی ازادرا معمولا با نام لایههای برشی یا جریان برشی میشناسند) ، و ویک، که شامل ریزش گردابهها است. جریان در لایه مرزی (لایههای برشی چسبیده)، از شکل جسم پیروی میکنند،تا نقطهای که برحسب گرادیان فشار معکوس، لایههای برشی مجبور به جدایش از جسم میشوند. بعد از این نقطه ما این لایهها را ، لایههای برشی ازاد یا جدا شده میشناسیم. لایههای برشی جداشده کوچک و ناپایدار هستند ودر ادامه روند خود، روی هم جمع میشوند تا به فرم گردابی درآیند. مکانیزمی که در ان حالت گردابهای جریان از جمع شدن لایههای برشی ازاد بر روی هم هست را جرارد[۱۹۶۶]، کشف کرد. او فرض کرد لایههای برشی جریان بطور پیوسته حالت گردابی جریان را افزایش دهند، تا جائی که جریام بفرم گردابه درآید، وقتی که گردابه به اندازه کافی قوی شد از وارد شدن لایههای برشی ازاد بطور عرضی به داخل گردابه جلوگیری میکند، با قطع کردن فرایند وارد شدن لایههای برشی ازاد به داخل گردابه، گردابه ازاد شده و به سمت پائین دست جریان حرکت میکند و لایههای برشی ازاد دوباره فرآیند تولید گردابه را از سر میگیرند.
تاثیر افزایش عدد رینولدز روی جریان گذرنده از استوانه باعث گذر از جریان لایهای به توربولانس میشود. حالت گذرای جریان ابتدا در قسمت ویک اتفاق میافتد و بتدریج به سمت بالا دست جریان با افزایش عدد رینولدز حرکت میکند. در رینولدز به اندازه کافی بزرگ حالت گذرا در لایههای برشی ازاد، و در رینولدزهای بالاتر حالت گذرا حتی در لایههای مرزی چسبیده هم اتفاق میافتد. اگر چه عدد رینولدز جریان فاکتور مهمی در بررسی دینامیک جریان گذرنده از روی استوانه است،اما با این همه فاکتور های مهم دیگری هم وجود دارد که روی الگوی جریان اثر میگذارد. این عوامل مثل شدت آشفتگی۵ جریان،
شکل ۱. مدل کردن رفتار جریان در رینولدزهای متفاوت در پشت یک سیلندر
زبری سطح سیلندر، نسبت طول جسم به قطر جسم (در اجسام با طول محدود)، شرایط انتهای سیلندر و انسداد۶ جریان؛ وقتی که جریان در یک داکت یا محفظهای در حال حرکت است. در کل هنگامی که هر یک از پارامترها تاثیر میگذارد باعث میشود که حالت گذرا به حالت توربولانس در رینولدز پائینتری اتفاق میافتد.
فهم متفاوت این دو نوع از جریان معیار آنالیز یک مسئلهی دینامیک سیالات محاسباتی است، پس تفاوت زیاد جوابها میتواند بر اساس شرایط جریان باشد. به عبارت دیگر یعنی میکس شدن جریان آزاد و عوامل محیطی قابل قبول میکند تغییرات جریانها را در اعداد خاصی از رینولدز.
نیروی درگ و شبیه سازی دینامیکی
سیال گذرنده از یک جسم غوطهور باعث ایجاد نیروهایی بر روی یک جسم شده که وابسته هستند به شکل و طبیعت جریان گذرنده از روی آن. در خصوص زیر دریاییها، حرکت آنها از میان سیال، در حالیکه سیال ایستاده یا در حال حرکت اتفاق میافتد. بنابراین آنالیز الگوهای جریان اطراف یک جسم متحرک با سیال ساکن برابر است با آنالیز الگوهای جریان اطراف یک جسم ساکن و سیال متحرک. برای ساده سازی در شبیه سازیهای CFD و برای بدست آوردن نیروهای وارد بر جسم از حالت دوم استفاده شده است.
بمنظور تصدیق اطلاعات، بین مقادیر آزمایشگاهی و شبیه سازیهای دینامیکی از عدد رینولدز استفاده شده است. همچنین معیار مقایسه در این تحقیق ضریب درگ یا C_D است که معیاری رایج برای توضیح درگ در اطراف جسم بوده و از طریق معادلهی زیر بدست می آید.
معادله ۳. ضریب درگ C_D=DRAG/(0.5ρU_∞^۲ A)= DRAG/QA
همانطور که نشان دادیم ضریب درگ از تقسیم عدد بی بعد نیروی درگ بر فشار دینامیکی Q و سطح میباشد. سطح مشخصه مورد استفاده وابسته است به شکلی که در آزمایش مورد استفاده قرار گرفته است. این سطح مشخصه نقش اساسی را در این معادله بازی میکند که در بلاف بادیها سطح جلویی، در بالها سطح پیشانی و سطح خیس شده در بارجها و کشتیها مورد استفاده قرار میگیرد. مقدار DRAG در معادله بالا نیروی درگ بر روی جسم بوده که از جمع دو درگ اصطکاکی (به علت ویسکوزیته) و فشاری (شکل) بدست آمده است.
نیروی اصطکاکی
تاثیر ویسکوزیته، اصطکاک بین سیال و بدنه بوده که در لایه مرزی ایجاد میشود. سیال نزدیک بدنه در شرایط بدون لغزش قرار دارد یعنی سیال هم جهت با ذرات بالاتر از دیواره بوده اما با سرعت نسبی صفر نسبت به دیواره و این موجب معرفی تنش برشی و ایجاد آن در سیال میشود.انرژی سینتیک بوجود میآمد همانطوری که جریان از سرتاسر بدنهی جسم عبور میکند و در نتیجه گردابههایی چرخشی را ایجاد کرده که سرانجام تبدیل به انرژی گرمایی شده و محو میشود. این تاثیر ویسکوزیته برای همهی درگ وارده از طرف سیال بر روی جسم بوجود میآید. در نتیجه به یک رابطهی مفیدی بین نیروی درگ و تنش دیواره یا تنش برشی میرسیم که در زیر نشان داده شده است.
معادله۴. تنش برشی

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید