جدایش جریان

در دینامیک سیالات، جدایش جریان یا جدایش لایه مرزی، جدا شدن یک لایه مرزی از یک سطح به درون یک دنباله است.^[۱]

یک لایه مرزی هر زمان که حرکت نسبی بین یک سیال و یک سطح جامد وجود داشته باشد، با حضور نیروهای گرانرو در لایه سیال نزدیک به سطح، به وجود می‌آید. جریان می‌تواند خارجی، پیرامون یک جسم، یا داخلی، در یک گذرگاه بسته باشد. لایه‌های مرزی می‌توانند آرام یا آشفته باشند. ارزیابی معقولی از اینکه آیا لایه مرزی آرام یا آشفته خواهد بود را می‌توان با محاسبه عدد رینولدز شرایط جریان محلی انجام داد.

جدایش در جریانی رخ می‌دهد که در حال کند شدن است، با افزایش فشار، برای مثال پس از عبور از ضخیم‌ترین بخش یک جسم خط جریانی یا عبور از یک گذرگاه در حال گشاد شدن.

جریان در خلاف جهت افزایش فشار به عنوان جریان در یک گرادیان فشار نامطلوب شناخته می‌شود. لایه مرزی زمانی جدا می‌شود که به اندازه کافی در یک گرادیان فشار نامطلوب حرکت کرده باشد که سرعت لایه مرزی نسبت به سطح متوقف شده و جهت آن معکوس شود.^[۲]^[۳] جریان از سطح جدا شده و به جای آن به شکل گردابه‌ها و پیچابه‌ها در می‌آید. سیال پس از جدا شدن، فشاری ثابت بر سطح اعمال می‌کند به جای فشار مداوم در حال افزایشی که در صورت چسبیده ماندن وجود داشت.^[۴] در آیرودینامیک، جدایش جریان منجر به کاهش برآ و افزایش پسار فشاری می‌شود که ناشی از اختلاف فشار بین سطوح جلو و عقب جسم است. این پدیده باعث لرزش سازه‌های هواپیما و سطوح کنترلی می‌شود. در گذرگاه‌های داخلی، جدایش باعث واماندگی و ارتعاشات در پره‌های ماشین‌آلات و افزایش تلفات (بازدهی پایین‌تر) در ورودی‌ها و کمپرسورها می‌شود. تلاش و تحقیقات زیادی صرف طراحی خطوط سطح آیرودینامیکی و هیدرودینامیکی و ویژگی‌های افزوده‌ای شده است که جدایش جریان را به تأخیر انداخته و جریان را تا حد امکان چسبیده نگه می‌دارند. نمونه‌ها شامل پرز روی توپ تنیس، گودی‌های روی توپ گلف، آشفتگی‌سازها روی گلایدر که باعث گذار زودهنگام به جریان آشفته می‌شوند؛ و مولدهای گردابه روی هواپیماها هستند.

گرادیان فشار نامطلوب

معکوس شدن جریان عمدتاً به دلیل گرادیان فشار نامطلوب تحمیل شده بر لایه مرزی توسط جریان پتانسیل بیرونی ایجاد می‌شود. معادله تکانه در جهت جریان در داخل لایه مرزی تقریباً به صورت زیر بیان می‌شود:

u{\partial u \over \partial s}=-{1 \over \rho }{dp \over ds}+{\nu }{\partial ^{2}u \over \partial y^{2}}

که در آن $s,y$ مختصات در جهت جریان و عمود بر آن هستند. یک گرادیان فشار نامطلوب زمانی است که $dp/ds > 0$ باشد، که در این صورت می‌توان دید که باعث کاهش سرعت $u$ در طول $s$ شده و در صورت کافی بودن قدرت گرادیان فشار نامطلوب، احتمالاً به صفر می‌رسد.^[۵]

پارامترهای تأثیرگذار

تمایل یک لایه مرزی به جدایش عمدتاً به توزیع گرادیان سرعت لبه نامطلوب یا منفی $du_o/ds (s) < 0$ در طول سطح بستگی دارد، که به نوبه خود با شکل دیفرانسیلی رابطه برنولی مستقیماً به فشار و گرادیان آن مربوط می‌شود، که همان معادله تکانه برای جریان غیر لزج بیرونی است.

\rho u_{o}{du_{o} \over ds}=-{dp \over ds}

اما مقادیر کلی $du_o/ds$ مورد نیاز برای جدایش برای جریان آشفته بسیار بیشتر از جریان آرام است، به طوری که جریان آشفته می‌تواند تقریباً یک مرتبه بزرگی شتاب منفی جریان قوی‌تری را تحمل کند. تأثیر ثانویه عدد رینولدز است. برای یک توزیع نامطلوب $du_o/ds$ معین، مقاومت جدایش یک لایه مرزی آشفته با افزایش عدد رینولدز کمی افزایش می‌یابد. در مقابل، مقاومت جدایش یک لایه مرزی آرام مستقل از عدد رینولدز است — واقعیتی که تا حدودی غیر شهودی است.

جدایش داخلی

جدایش لایه مرزی می‌تواند برای جریان‌های داخلی نیز رخ دهد. این پدیده می‌تواند ناشی از عللی مانند یک مجرا یا لوله با انبساط سریع باشد. جدایش به دلیل یک گرادیان فشار نامطلوب که با انبساط جریان مواجه می‌شود، رخ می‌دهد و باعث ایجاد یک منطقه گسترده از جریان جدا شده می‌شود. بخشی از جریان که جریان در حال گردش مجدد و جریان عبوری از ناحیه مرکزی مجرا را جدا می‌کند، خط جریان تقسیم‌کننده نامیده می‌شود.^[۶] نقطه‌ای که خط جریان تقسیم‌کننده دوباره به دیواره متصل می‌شود، نقطه اتصال مجدد نامیده می‌شود. با ادامه جریان به سمت پایین‌دست، در نهایت به یک حالت تعادلی می‌رسد و جریان معکوس نخواهد داشت.

اثرات جدایش لایه مرزی

هنگامی که لایه مرزی جدا می‌شود، بقایای آن یک لایه برشی^[۷] تشکیل می‌دهند و وجود یک منطقه جریان جدا شده بین لایه برشی و سطح، جریان پتانسیل بیرونی و میدان فشار را تغییر می‌دهد. در مورد ایرفویل‌ها، تغییر میدان فشار منجر به افزایش پسار فشاری می‌شود و اگر به اندازه کافی شدید باشد، منجر به واماندگی و از دست دادن برآ نیز خواهد شد که همگی نامطلوب هستند. برای جریان‌های داخلی، جدایش جریان باعث افزایش تلفات جریان و پدیده‌هایی از نوع واماندگی مانند سرج کمپرسور می‌شود که هر دو پدیده‌های نامطلوبی هستند.^[۸]

ااثر دیگر جدایش لایه مرزی، ریزش منظم گردابه‌ها است که به عنوان کوچه گردابی کارمان شناخته می‌شود. گردابه‌ها از سطح صاف پایین‌دست یک سازه با فرکانسی بسته به سرعت جریان، ریزش می‌کنند. ریزش گردابه نیروی متناوبی ایجاد می‌کند که می‌تواند منجر به ارتعاشات در سازه شود. اگر فرکانس ریزش با بسامد تشدید سازه منطبق شود، می‌تواند باعث شکست سازه‌ای شود. این ارتعاشات می‌توانند بر اساس منشأ خود در اجسام جامد یا سیال مجاور، در فرکانس‌های مختلف ایجاد و منعکس شوند و می‌توانند تشدید را تضعیف یا تقویت کنند.

در دینامیک سیالات، جدایش جریان یا جدایش لایه مرزی، جدا شدن یک لایه مرزی از یک سطح به درون یک دنباله است.^[۹]

یک لایه مرزی هر زمان که حرکت نسبی بین یک سیال و یک سطح جامد وجود داشته باشد، با حضور نیروهای گرانرو در لایه سیال نزدیک به سطح، به وجود می‌آید. جریان می‌تواند خارجی، پیرامون یک جسم، یا داخلی، در یک گذرگاه بسته باشد. لایه‌های مرزی می‌توانند آرام یا آشفته باشند. ارزیابی معقولی از اینکه آیا لایه مرزی آرام یا آشفته خواهد بود را می‌توان با محاسبه عدد رینولدز شرایط جریان محلی انجام داد.

جدایش در جریانی رخ می‌دهد که در حال کند شدن است، با افزایش فشار، برای مثال پس از عبور از ضخیم‌ترین بخش یک جسم خط جریانی یا عبور از یک گذرگاه در حال گشاد شدن.

جریان در خلاف جهت افزایش فشار به عنوان جریان در یک گرادیان فشار نامطلوب شناخته می‌شود. لایه مرزی زمانی جدا می‌شود که به اندازه کافی در یک گرادیان فشار نامطلوب حرکت کرده باشد که سرعت لایه مرزی نسبت به سطح متوقف شده و جهت آن معکوس شود.^[۱۰]^[۱۱] جریان از سطح جدا شده و به جای آن به شکل گردابه‌ها و پیچابه‌ها در می‌آید. سیال پس از جدا شدن، فشاری ثابت بر سطح اعمال می‌کند به جای فشار مداوم در حال افزایشی که در صورت چسبیده ماندن وجود داشت.^[۱۲] در آیرودینامیک، جدایش جریان منجر به کاهش برآ و افزایش پسار فشاری می‌شود که ناشی از اختلاف فشار بین سطوح جلو و عقب جسم است. این پدیده باعث لرزش سازه‌های هواپیما و سطوح کنترلی می‌شود. در گذرگاه‌های داخلی، جدایش باعث واماندگی و ارتعاشات در پره‌های ماشین‌آلات و افزایش تلفات (بازدهی پایین‌تر) در ورودی‌ها و کمپرسورها می‌شود. تلاش و تحقیقات زیادی صرف طراحی خطوط سطح آیرودینامیکی و هیدرودینامیکی و ویژگی‌های افزوده‌ای شده است که جدایش جریان را به تأخیر انداخته و جریان را تا حد امکان چسبیده نگه می‌دارند. نمونه‌ها شامل پرز روی توپ تنیس، گودی‌های روی توپ گلف، آشفتگی‌سازها روی گلایدر که باعث گذار زودهنگام به جریان آشفته می‌شوند؛ و مولدهای گردابه روی هواپیماها هستند.

جستارهای وابسته

پانویس

↑ White (2010), "Fluid Mechanics", Section 7.1 (7th edition)
↑ Anderson, John D. (2004), Introduction to Flight, Section 4.20 (5th edition)
↑ L. J. Clancy (1975) Aerodynamics, Section 4.14
↑ Fundamentals of Aerodynamics 5th edition, John D. Anderson, Jr. 2011, شابک ‎۹۷۸ ۰ ۰۷ ۳۳۹۸۱۰ ۵, Figure 4.46
↑ Balmer, David (2003) Separation of Boundary Layers بایگانی‌شده در ۱۷ ژوئیه ۲۰۲۰ توسط Wayback Machine الگو:بایگانی وب، از دانشکده مهندسی و الکترونیک، دانشگاه ادینبرو
↑ Wilcox, David C. Basic Fluid Mechanics. 3rd ed. Mill Valley: DCW Industries, Inc. , 2007. 664-668.
↑ https://www.aps.org/units/dfd/resources/upload/prandtl_vol58no12p42_48.pdf, Fig 3
↑ Fielding, Suzanne. "Laminar Boundary Layer Separation." 27 October 2005. The University of Manchester. 12 March 2008 <https://community.dur.ac.uk/suzanne.fielding/teaching/BLT/sec4c.pdf>.
↑ White (2010), "Fluid Mechanics", Section 7.1 (7th edition)
↑ Anderson, John D. (2004), Introduction to Flight, Section 4.20 (5th edition)
↑ L. J. Clancy (1975) Aerodynamics, Section 4.14
↑ Fundamentals of Aerodynamics 5th edition, John D. Anderson, Jr. 2011, شابک ‎۹۷۸ ۰ ۰۷ ۳۳۹۸۱۰ ۵, Figure 4.46

منابع

Anderson, John D. (2004), Introduction to Flight, McGraw-Hill. شابک ‎۰−۰۷−۲۸۲۵۶۹−۳.
L. J. Clancy (1975), Aerodynamics, Pitman Publishing Limited, London شابک ‎۰−۲۷۳−۰۱۱۲۰−۰.

پیوند به بیرون

[1] White (2010), "Fluid Mechanics", Section 7.1 (7th edition)

[2] Anderson, John D. (2004), Introduction to Flight, Section 4.20 (5th edition)

[3] L. J. Clancy (1975) Aerodynamics, Section 4.14

[4] Fundamentals of Aerodynamics 5th edition, John D. Anderson, Jr. 2011, شابک ‎۹۷۸ ۰ ۰۷ ۳۳۹۸۱۰ ۵, Figure 4.46

[5] Balmer, David (2003) Separation of Boundary Layers بایگانی‌شده در ۱۷ ژوئیه ۲۰۲۰ توسط Wayback Machine الگو:بایگانی وب، از دانشکده مهندسی و الکترونیک، دانشگاه ادینبرو

[Wilcox,_David_C_2007-6] Wilcox, David C. Basic Fluid Mechanics. 3rd ed. Mill Valley: DCW Industries, Inc. , 2007. 664-668.

[7] ttps://www.aps.org/units/dfd/resources/upload/prandtl_vol58no12p42_48.pdf, Fig 3

[8] Fielding, Suzanne. "Laminar Boundary Layer Separation." 27 October 2005. The University of Manchester. 12 March 2008 <https://community.dur.ac.uk/suzanne.fielding/teaching/BLT/sec4c.pdf>.

[9] White (2010), "Fluid Mechanics", Section 7.1 (7th edition)

[10] Anderson, John D. (2004), Introduction to Flight, Section 4.20 (5th edition)

[11] L. J. Clancy (1975) Aerodynamics, Section 4.14

[12] Fundamentals of Aerodynamics 5th edition, John D. Anderson, Jr. 2011, شابک ‎۹۷۸ ۰ ۰۷ ۳۳۹۸۱۰ ۵, Figure 4.46

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]

[۱۰]

[۱۱]

[۱۲]