جريان الموائع

تدفق أو جريان أو انسياب أو سريان الموائع (Fluid flow)‏ اصطلاحات تشير إلى المجال الذي يسمى تحديدا ديناميكا الموائع (Fluid dynamics)‏ هي فرع من فروع ميكانيكا الموائع، تتعامل مع سيلان وتدفق الموائع (السوائل والغازات)، وتضم بدورها تباعا: ديناميكا الغازات (Aerodynamics)‏ ديناميكا السوائل (Hydrodynamics)‏.^[1][2][3]

ميكانيكا الأوساط المتصلة

ميكانيكا المواد الصلبة صلب · إجهاد · تشوه نظرية الإجهاد المنتهي نظرية الإنفعالات المتناهية في الصغر مرونة · مرونة خطية · لدونة مرونة لزوجية · قانون هوك · ريولوجيا ميكانيكا الموائع مائع  · هيدروستاتيكا  · ديناميكا الموائع لزوجة  · مائع نيوتني مائع لا نيوتني  · توتر سطحي  · معادلات نافييه-ستوكس علماء نيوتن · ستوكس · نافيير كوشي · هوك · برنولي

يستفاد من هذه الدراسة في تحسين التصرف مع الطاقة. وأبرز من كتب عن هذا العلم هو دانييل برنولي وقانونه الشهير الذي جمع به الطاقات في الكثير من التطبيقات العملية. والقانون هو:

${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}\,+\,\rho \,g\,z\,+\,p\,=\,{\text{constant}}\,}$

الضغط + نصف الكثافة × مربع السرعة + الكثافة × عجلة الجاذبية الأرضية ×الارتفاع = ثابت.

وكذلك معادلة الاستمرارية.

معادلات حركة السوائل

دوامة تشكلت عند صرف المياه من زجاجة

أساسيات حركة السوائل هي قوانين الانحفاظ، وعلى وجه التحديد، قانون بقاء المادة، وانحفاظ الزخم الخطي (المعروف أيضا باسم قانون نيوتن الثاني للحركة)، وانحفاظ الطاقة (المعروفة أيضا باسم القانون الأول للديناميكا الحرارية). تستند حركة السوائل إلى الميكانيكا الكلاسيكية ولا تأخذ في حسباتنها تعديلات من ميكانيكا الكم التي تهتم بالحالة الصغرية للمادة في إطار الذرات والجسيمات الأولية ولا تأثيرا النظرية النسبية الخاصة التي تراعي السرعات الكبيرة جدا القريبة من سرعة الضوء. وتشكل نظرية رينولدز أيضا أحد أساسيات ديناميكا السوائل.

بالإضافة إلى ما سبق، ويفترض ميوعة السوائل وخواصها مثل اللزوجة. وتتألف السوائل من جزيئات في حركة حرارية دائمة وتتصادم مع بعضها البعض. وافتراض استمرارية السائل يعتبر ان السوائل مستمرة وليست منفصلة. وبالتالي، نهتم بخصائص مثل الكثافة والضغط ودرجة الحرارة وهي خصائص تحدد حالة السائل، وكذلك تحدد توزيع السرعات بين الجزيئات .في حالة السوائل الكثيفة بما فيه الكفاية لتكوين سلاسلا متصلة، تكون سرعاتها أقل بكثير من سرعة الضوء لذلك فهي تعامل طبقا ل قوانين نيوتن، كما نهمل تأينها.

معادلات كمية حركة السوائل هي معادلات مبنية على قوانين نيوتن من ضمنها قانون ستوكس، التي هي مجموعة غير الخطية من المعادلات التفاضلية التي تصف تدفق السائل، وهي تعتبر الضغط خطياً على تدرجات السرعة والضغط، ويمكن تبسيط المعادلات بعدة طرق مما يجعلها أسهل للحل.

بالإضافة إلى اعتبار خواص مثل الكتلة،و كمية الحركة ، وتطبيق قوانين الانحفاظ ، تساعدنا على استنتاج معادلات الديناميكا الحرارية لنظام من السائل مع اعتبار الضغط بوصفه أحد المتغيرات إلى جانب درجة الحرارة وغيرها لتحديد صفات وسلوك السائل. ومن الأمثلة على هذا هو معادلة الغاز المثالي:

${\displaystyle PV=nRT}$

حيث:

• p: ضغط الغاز
• V: حجم الغاز
• n: عدد المولات في الغاز
• R: ثابت الغازات العام
• T: درجة الحرارة المطلقة.

تصنيفات سريان المائع

يوجد العديد من أشكال سريان الموائع في الحياة العملية ولتسهيل دراستها و تسهيل التعامل مع المشاكل المتعلقة بها، يتم تقسيمها إلي مجموعات طبقا للخصائص المشتركة فيما بينها و فيما يلي بعض التصنيفات.

المناطق اللزجة مقابل المناطق الغير لزجة في السريان

(Viscous versus Inviscid Regions of Flow)

عندما يتحرك طبقتين من المائع بالنسبة لبعضهما الآخر، تنشأ قوة إحتكاك بينهما فتعمل الطبقة الأبطئ علي تقليل سرعة الطبقة الأسرع. يتم التعبير عن المقاومة الداخلية للمائع بخاصية تسمي اللزوجة تنشأ من قوي التماسك بين الجزيئات في السوائل ومن تصادم الجزيئات مع بعضها في الغازات.

لا يوجد مائع منعدم اللزوجة أي أن لزوجته تساوي صفر و عليه فإن كل الموائع لها تأثيرات متعلقة باللزوجة لحد ما.

تُسمي السريانات التي تكون فيها قوي الاحتكاك بين طبقات المائع كبيرة بالسريانات اللزجة و في بعض السريانات تكون هناك مناطق( غير قريبة من الأسطح الصلبة عادة) فيها قوي الإحتكاك_قوي اللزوجة_ ضعيفة مقارنة بالقوي الأخرى المؤثرة علي المائع كالضغط و القصور الذاتي ولذلك يتم إهمالها لتبسيط الحسابات _دون حدوث فقد كبير في الدقة_ و تُسمي هذه المناطق مناطق سريان غير لزج Inviscid flow regions.

السريان الداخلي مقابل السريان الخارجي

Internal versus External Flow

يصنف سريان المائع علي أنه داخلي أو خارجي طبقا إذا كان المائع يسري علي سطح ما غير محاط بشئ مثل لوح، سلك ,سريان الهواء علي كرة أوأنبوب، في هذه الحالة يصنف سريان خارجي (External Flow)، أما إذا كان السريان داخل حيز مغلق محاط بأسطح صلبة مثل أنبوب أو قناة كسريان الماء داخل الأنابيب و القنوات، في هذه الحالة يصنف سريان داخلي (Internal flow).

في السريان الداخلي يكون تأثير اللزوجة مسيطر علي كل مجال السريان أما في السريان الخارجي فلا يظهر تأثير اللزوجة سوي في الطبقة الحدية القريبة من الأسطح الصلبة ومناطق الضعف في السريان التي تظهر عند انفصال المائع عن الأجسام في نهايتها.

السريان القابل للانضغاط مقابل السريان الغير قابل للانضغاط

Compressible versus Incompressible Flow

يصنف السريان كونه قابل للانضفاط أو غير قابل للانضغاط طبقا لمدي تغير كثافة المائع أثناء السريان.

لو ظلت الكثافة ثابتة خلال السريان يًسمي السريان بأنه غير قابل للانضغاط Incompressible Flow حيث لا يتغير حجم جزيئات المائع خلال السريان. مثال علي ذلك سريان السوائل، تعتبر السوائل ثابتة الكثافة تقريبا لذلك تصنف علي أنها موائع غير قابلة للانضغاط، على سبيل المثال فإن ضغط مقداره 210 ضغط جوي يغير كثافة مياه سائلة عند الضغط الجوي بمقدار 1% فقط .

علي النقيض فإن الغازات تعتبر موائع قابلة للانضغاط Compressible , على سبيل المثال فإن تغيير في الضغط مقدار0.01 ضغط جوي يسبب تغير مقداره 1% في كثافة الهواءالجوي. يٌمكن فرض سريان الغازات علي أنه غير قابل للانضغاط إذا كان مقادر التغير في الكثافة أقل من 5% حيث رقم ماخ اقل من0.3.

السريان الرقائقي مقابل السريان المضطرب

Laminar versus Turbulent Flow

بعض السريانات تكون سلسة ومنظمة بينما أخرى تبدو بشكل فوضوي مضطرب. يًسمي السريان الذي تكون الحركة فيه سلسة علي هيئة طبقات منظمة بالسريان الرقائقي (Laminar flow)؛ على سبيل المثال سريان الموائع عالية اللزوجة كالزيت عند سرعات منخفضة يكون سريان رقائقي. بينما يٌسمي السريان الذي تكون الحركة فيه غير هادئة حيث تكون السرعات عالية جدا والمائع يتحرك بشكل فوضوي بالسريان المضطرب (Turbulent Flow). على سبيل المثال سريان الموائع منخفضة اللزوجة كالهواء عند سرعات عالية يكون سريان مضطرب.

أما إذا كان سريان المائع يتبدل بين الرقائقي و المضطرب فإنه في هذه الحالة يًسمي سريان انتقالي (Transitional flow)، ويتم تحديد نوع السريان إذا كان رقائقي أم مضطرب أم انتقالي طبقا لقيمة رقم رينولدز.

اقرأ أيضا

• علاقات تدفق فانو
• عدد كنودسن
• رقم ماخ
• دوامة
• معادلات نافييه-ستوكس
• ميكانيكا الموائع
• بنيامين ليفيتش
• حالة عدم الانزلاق
• معامل تصريف

المصادر

موسوعات ذات صلة :

• موسوعة كيمياء فيزيائية
• موسوعة الكيمياء
• موسوعة الفيزياء