پاورپوینت مبانی هیدرولیک

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

مبانی هیدرولیک

مقدمه

هیدرولیک علم مطالعه سیالات و کاربرد آن برای انتقال نیرو و حرکت است. کلمه هیدورلیک از لغت یونانی هیدرو به معنی آب گرفته شده است.
علم هیدرولیک به کاربرد عملی مکانیک سیالات در امور مهندسی و خواص مایعات و نحوه استفاده از آنها در موارد مختلف مهندسی می پردازد، بنابراین هیدرولیک شاخه ای از مکانیک سیالات است که به حرکت آب در لوله ها ، کانال ها و در زیر سطح زمین توجه خاص داشته و سیال مورد نظر در آن، آب است.

اسلاید 2 :

قوانین مایعات ساکن

معادلات فیزیکی پایه متعددی برای مایعات و جامدات در حالت ساکن وجود دارد که دانستن آن ها به درک روابط آب و خاک در مطالعه آب زیرزمینی کمک می کند

اسلاید 3 :

قوانین مایعات ساکن
چگالی (Density)
جرم واحد حجم ماده است و در سیستم متریک ، واحد کیلوگرم بر مترمکعب (Kg/m3) و آن را با علامت اختصاری ρ نشان میدهند

(1)
بالاترین چگالی آب در دمای 4 درجه سانتیگراد است که به طور متوسط 1000 kg/m3 است

اسلاید 4 :

قوانین مایعات ساکن
چگالی حقیقی (Particle Density)
چگالی ذرات ( چگالی حقیقی) جرم خاک خشک به حجم خاک خشک اشغال شده توسط ذرات جامد است.

(2)

چگالی ذرات برای خاک ها به طور متوسط 2650 kg/m3 است

اسلاید 5 :

چگالی ظاهری (Bulk Density)

جرم خشک نمونه به حجم کل آن است. چگالی ظاهری (ρd) از معادله زیر حاصل می شود

چگالی ظاهری برای خاک های ریز دانه از 1000 تا 1300 kg/m3و برای خاک های دانه درشت از 1300 تا 1800 kg/m3 است

اسلاید 6 :

قوانین مایعات ساکن
وزن مخصوص (Unit weight)
نسبت وزن یک ماده به حجم آن را وزن مخصوص گویند. وزن مخصوص را با گاما (γ) نمایش میدهند واز رابطه زیر بدست می آید

بین وزن مخصوص و چگالی باید تفاوت گذاشت، چگالی، نسبت جرم یک ماده به حجم آن است، چگالی مواد مستقل از شتاب گرانشی است در حالیکه وزن مخصوص یک ماده متأثر از شتاب گرانش است؛ بنا بر این وزن مخصوص یک ماده در سطح زمین و سطح ماه متفاوت خواهد بود.

اسلاید 7 :

قوانین مایعات ساکن
نیرو (Force)
نیرو در فیزیک کمیتی برداری است که باعث شتاب گرفتن اجسام میشود. نیرو را به طور شهودی میتوان با کشیدن یا هُل دادن توصیف کرد. شتاب جسم متناسب است با جمع برداری همهٔ نیروهای وارد بر جسم. در یک جسم صُلب (یعنی جسمی که ابعادش در فضا گسترده است و نمیتوان آن را با یک نقطه تقریب زد) نیرو میتواند جسم را بچرخاند، تغییرشکل دهد یا فشار وارد بر آن را بیفزاید. اثرات چرخشی با گشتاور و تغییر شکل یا فشار با تنش توصیف میشوند.

اسلاید 8 :

نیرو (Force)
نیرو به صورت دو معادله زیر بیان میشود و در سیستم متریک، واحد کیلوگرم متر بر مجذور ثانیه (Kg.m/s2) یا نیوتن (N)دارد. اگر a شتاب باشد (F) از معادله زیر به دست میآید:
(5) F=m.a
و اگر g شتاب ثقل باشد نیروی وزن (w) از معادله زیر حاصل می شود:
(6) W=m.g

اسلاید 9 :

فشار ((Pressure, Stress
نیروی عمودی وارد بر واحد سطح است و در سیستم متریک ، واحد نیوتن بر متر مربع (N/m2) یا پاسکال (Pa) دارد.
فرمول محاسباتی
(7)
با در نظر گرفتن F = W ومعادلات قبلی فشار هیدرواستاتیک سیالی به ارتفاع h به صورت زیر بدست می آید:
(8)

اسلاید 10 :

تراکم پذیری (Compressibility)
تغییر پذیری حجم سیالات بر اثر فشار است و در سیستم متریک، واحد متر مربع بر نیوتن (m2/N) یا عکس پاسکال (1/pa) دارد.
در بین سیالات، گازها قابلیت تراکم پذیری زیادی دارند؛ در صورتی که مایعات قابلیت تراکم پذیری کمی دارند.

اسلاید 11 :

تراکم پذیری (Compressibility)
قابلیت تراکم پذیری مایعات بر اثر فشار با ضریب تراکم پذیری بیان می شود، یعنی اگر v حجم مایع در فشار p باشد، با افزایش فشار به مقدارdP، حجم مایع به مقدارdV ، کاهش می یابد؛ بنابراین، ضریب تراکم پذیری برابر است با :

در این معادله، علامت منفی نشانه تغییرات فشار و حجم در جهت عکس است. ضریب تراکم پذیری مایعات ثابت نیست و نسبت به فشار و درجه حرارت تغییر می کند. ضریب تراکم پذیری آب در دمای 20 درجه سانتیگراد و فشار یک اتمسفر، مقدار ناچیز 1/p 0.46*10-9 است. به همین دلیل مایعات اغلب تراکم ناپذیردر نظر گرفته می شود.

اسلاید 12 :

چسبندگی (گرانروی) (Viscosity)

چسبندگی عبارت است از مقاومت یک سیال در برابر اعمال تنش برشی (تغییر شکل). این نوع چسبندگی، چسبندگی دینامیک نامیده می شود و در سیستم متریک، واحد نیوتن ثانیه برمتر مربع (N.s/m2) دارد.
در یک سیال جاری (در حال حرکت)، که لایههای مختلف آن نسبت به یکدیگر جابجا میشوند، به مقدار مقاومت لایههای سیال در برابر لغزش روی هم، گرانروی سیال میگویند. هرچه گرانروی مایعی بیشتر باشد، برای ایجاد تغییر شکل یکسان، به تنش برشی بیشتری نیاز است. بهعنوان مثال گرانروی عسل از گرانروی شیر بسیار بیشتر است.
با افزایش دما لزجت سیالات مایع کاهش می یابد ولی در گازها، قضیه برعکس است، البته درصد تغییرات آن برای سیالات مختلف متفاوت است.

اسلاید 13 :

دبی (Discharge)

دبی (شدت جریان، بده)، مقدار مایع عبوری از سطح مقطعی عمود بر جریان در واحد زمان است. مقدار مایع را می توان به صورت حجم، وزن یا جرم در نظر گرفت، ولی در کارهای مهندسی معمولاً از حجم استفاده می شود.
(10)
در این معادله V حجم ، t زمان و Q دبی سیال است که در سیستم متریک، واحد متر مکعب بر ثانیه (M3/S) دارد.

اسلاید 14 :

دبی (Discharge)
برای یک لوله جریان با مقطع کوچک، سرعت جریان ѵ در تمام جهات سطح مقطع آن ثابت در نظر گرفته می شود؛ بنابراین، حجم مایعی که در واحد زمان از یک لوله جریان عبور می کند، از معادله زیر حاصل می شود:
(11)
در این معادله dQ دبی، v سرعت و dA سطح مقطع لوله جریان است. با توجه به این که سرعت مایع در قسمت های مختلف آن یکسان نیست؛ دبی کل از معادله زیر بدست می آید:

اسلاید 15 :

در بعضی از موارد برای مقطع جریان A ، سرعت متوسط v در نظر گرفته می شود، در این صورت دبی به صورت زیر محاسبه می شود:

این معادله، معادله اصلی دبی و رایج ترین معادله محاسبه آن است. از این رو با تعیین v می توان Q را محاسبه کرد.

اسلاید 16 :

انواع جریان

جریان ایده آل و حقیقی (Ideal flow & Real flow)
در جریان ایده آل اصطکاک صفر و جریان در تمام قسمت های کانال ثابت است، این شرایط به سیال ایده آل نیاز دارد.
سیال ایده ال یک سیال فرضی با چسبندگی و تراکم پذیری صفر است. اگرچه بیشتر مایعات تراکم ناپذیر در نظر گرفته می شوند، تمام مایعات چسبندگی دارند، بنابراین، سیال ایده آل وجود ندارد، اما برای بیان معادلات خاص، سیال ایده آل در نظر گرفته می شود و پس از این که معادله مربوطه به دست آمد، برای سیالات واقعی تعمیم داده می شود.
در یک سیال ایده آل به علت فقدان چسبندگی، قشرهای مختلف سیال به موازات هم و با سرعت ثابت حرکت می کنند و در صورتی که در جریان حقیقی به علت اصطکاک و چسبندگی سیالات واقعی، سرعت قشرهای مختلف سیال با هم متفاوت است

اسلاید 17 :

انواع جریان
جریان ایده آل و حقیقی (Ideal flow & Real flow)
شکل 1
(سیال ایده آل)
(سیال حقیقی)

اسلاید 18 :

جريان دايم و غير دايم (پايدار و غير پايدار) [Steady & unsteady state flow ]
اگرمشخصات جریان سیال با گذشت زمان در هر نقطه تغيير نكند، (فشار ،دما، سرعت، گرانروي و چگالي ويژه ) جريان را دائم يا پايدار مينامند

(14)
در صورتي كه مشخصات جریان سیال در يك نقطه با زمان تغيير كند جريان را غيردائم يا ناپايدار ميگويند.

اسلاید 19 :

جريان يكنواخت وغيريكنواخت (Uniform &Non Uniform Flow)
وقتي كه سرعت جریان سیال در تمام طول مسیر از نظر اندازه و جهت ثابت باشد جريان را يكنواخت گوييم.
(15)
در صورتی که سرعت سیال در قسمت های مختلف مسیر تغییر کند جریان غیر یکنواخت است.
جريان يكنواخت و غيريكنواخت ممكن است دائم يا غير دائم باشد.

اسلاید 20 :

جريان آرام و مغشوش (Laminar &Turbulent Flow)
در جريان آرام (خطی)، سيال در طول مسيرهاي مستقيم و لايههاي موازي حركت ميكند و حركت هر ذره سيال اثري بر روي حركت ذرات ديگر ندارد.
جريان آرام (لايهاي، ورقه ای) تابع قانون گرانروي نيوتن بوده و در مواردي كه سرعت كم و يا گرانروي زياد باشد صورت ميگيرد.
در مواردي كه سرعت سيالي با گرانروي كم افزايش يابد جريان آرام پايدار نبوده و به تدريج به حالت آشفته تبديل ميگردد.
در جريان آشفته حركت ذرات مختلف سيال طي مسيرهايي متفاوت صورت گرفته و حركت یک ذره روي حركت ذرات ديگر اثر ميگذارد.