مجموعه آموزش مکانیک سیالات

امروزه مسائل مربوط به حوزه مکانیک سیالات، درک و دریافت مفاهیم آن در رشته های مهندسی عمران، مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی و سایر گرایش های مهندسی حائز اهمیت بسیار است، از این جهت که هر کدام به نسبت موارد کاربرد و نیاز، از مطالعات در حوزه مکانیک سیالات بهره می برند. این نیاز می تواند به مسائل تحلیلی و طراحی خلاصه شود و یا به منظور بسط دادن این شاخه از علم، فراتر رفته و دستاوردهای نوینی را در این زمینه حاصل سازد. در این آموزش در ابتدای هر درس مقدمه و تعاریفی از روند کلی درس و آنچه که نیاز است تا مخاطبین گرامی با آن ها آشنا شوند، ارائه می گردد. سپس آموزش بخش های مختلف در حوزه مکانیک سیالات را آغاز می کنیم و پس از بیان چگونگی مساله و تشریح آن، به حل مثال های مرتبط می پردازیم.

علم سیالات به بررسی رفتار و واکنش های سیال بر اثر نیروهای وارد بر آن می پردازد. به طور کلی سیالات در دو حالت استاتیکی و دینامیکی مورد بررسی قرار می گیرند. استاتیک سیالات، به بررسی رفتار سیال و نیروهای وارد بر آن، در حالت سکون سیال می پردازد. دینامیک سیالات با استفاده از معادلات ناویر استوکس، نیروهای وارد بر سیالات را مورد بررسی قرار می دهد. با توجه به اهمیت درس مکانیک سیالات در کنکور کارشناسی ارشد رشته های مهندسی، در این فرادرس هدف اصلی تدریس فصل هایی از این درس که در کنکور کارشناسی ارشد دارای اهمیت بالایی هستند، خواهد بود. تدریس مفاهیم پایه درس و بیان نکات مهم کنکوری از جمله مزایای این فرادرس می باشد.

درس انتقال حرارت در زمینه های مختلفی کاربرد فراوان دارد و از دروس پایه مهندسی های مکانیک، مواد، انرژی، هسته ای، پلیمر و شیمی است. همین طور اساس مباحث انرژی است که امروزه بسیار کاربردی شده و از موضوعات مورد توجه جهان است. علاوه بر این در صنایعی نظیر نیروگاه ها، صنایع نفتی و غیره نیز نقش حیاتی انتقال حرارت را نمی توان انکار کرد.

در بین مباحث پدیده های انتقال، درس مکانیک سیالات از اهمیت بالایی برخوردار است، به طوری که بسیاری از عملیات مربوط به صنعت نیاز به محاسباتی دارند که در مکانیک سیالات ۲ مطرح می شوند. هدف اصلی این آموزش، ارائه اصول و روابط مربوط به محاسبات سیال های تراکم پذیر، بسترهای سیال، توربوماشین ها و...، هم از دیدگاه تئوری و هم صنعتی، مطابق با منابع معتبر دانشگاهی و صنعتی است. در این آموزش ابتدا به معرفی جریان های لایه مرزی و روابط مربوط به آن پرداخته می شود و هندسه های مختلف شامل: سطح صاف، استوانه و کره مورد بررسی قرار می گیرد، سپس به مباحث مربوط به توربوماشین ها و پدیده مهم کاویتاسیون (Cavitation) پرداخته می شود.

طراحی دستگاه های پیچیده که ترکیبی از فیزیک های مختلف هستند، مستلزم حل معادلات بسیار پیچیده بوده که گاهی اوقات از توانایی فرد برای ایجاد کدهای نرم افزاری خارج است. به همین دلیل نرم افزارهای المان محدود ایجاد شدند تا این مسیر را راحت کنند. از بین این نرم افزارها، نرم افزار کامسول در زمینه محاسبات مسائل چند فیزیکی سرآمد بوده و به شدت در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد.

در این آموزش سعی شده است که اصلی ترین گام های اساسی مورد نیاز برای شروع کار با نرم افزار فلوئنت به خوبی پوشش داده شود. مباحثی همچون: نحوه انجام شبکه بندی و همچنین انجام تنظیمات اصلی مورد نیاز برای حل میدان های سیالاتی به عنوان رکن اصلی کار با نرم افزار فلوئنت محوریت این آموزش است. در ادامه با انجام برخی مثال های کاربردی نحوه استفاده از آموخته های قبلی در مورد ارکان یک حل میدان پوشش داده شده است.

امروزه بیشتر شرکت‌ ها برای ساخت یک قطعه جدید و یا ایجاد تحول در قطعات موجود، ابتدا به طراحی بر اساس فرضیات خود پرداخته، سپس آن را شبیه‌ سازی کرده و عملکرد آن را در شرایط نزدیک به واقعیت بررسی می ‌کنند. به این ترتیب، بدون اتلاف هزینه و زمان، نتایج دقیق و جزئی آزمایشات خود را مشاهده کرده و به سادگی با تغییر آن به بهترین طراحی دست می یابند. در این فرادرس طی یک آموزش پروژه محور به طراحی و آزمایش سیستم‌ های مرتبط با دینامیک سیالات محاسباتی با تمرکز بر سیستم‌ های چندفازی می پردازیم. در این آموزش چندین پروژه آموزش داده می شود. آموزش به این صورت است که ابتدا برای آشنایی با قطعه توضیحاتی داده می شود و سپس نحوه طراحی و نتایج اجرا، تشریح می گردد.

هدف از هیدرولیک صنعتی، مطالعه عملکرد سیالات مایع محبوس تحت فشار، در انتقال دقیق و کنترل شده قدرت و حرکت است. ماهیت مایع تحت فشار و تناسب فشار با سطح موجب می شود تا ما بتوانیم با تغییر سطح، نیرو و همچنین فشار را تشدید کنیم. امکان تشدید فشار و نیرو از یک سو و انعطاف پذیری سیستم های هیدرولیکی از سوی دیگر موجب افزایش کارایی این سیستم ها در صنعت شده است. شناخت روابط و قوانین حاکم بر مایع تحت فشار، جهت طراحی سه بخش اصلی یک سیستم هیدرولیکی (بخش تولید توان، کنترل کننده ها و عملگرها)، ضروری است.

نرم افزار ANSYS Turbomachinery یک نرم افزار تخصصی و آسان با محیط گرافیکی کاربر پسند است که در نرم افزار ANSYS WorkBench یکپارچه شده و طراحی انواع ماشین های دوار شامل: توربین، کمپرسور، پمپ، فن و دمنده های جریان محور و گریز از مرکز را ممکن می سازد. هدف این فرادرس آشنایی مخاطبین با اصول و مبانی حاکم بر توربوماشین ها، چرخه طراحی آن ها، ابزارهای کاربردی نرم افزار ANSYS Turbomachinery برای طراحی ماشین های دوار، ساخت هندسه سه بعدی پره ها برای انواع توربوماشین ها، گسسته سازی پره ها(مش زدن) و تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی به همراه مثال های متعدد است.

هدف کلی از این مجموعه آموزشی آشنایی مقدماتی با ویژگی های و محیط کاربری نرم افزار Comsol برای تحلیل مسائل مکانیک سیالات و جامدات است. قطعا یکی از ضرورت های موجود برای دانشجویان و مهندسان آشنایی با نرم افزارهای روز موجود و به کارگیری از آن ها در حل مسائل جهت صرفه جویی هرچه بیشتر در زمان است. نرم افزار Comsol یکی از نرم افزارهای قدرتمند است که روز به روز موارد به کارگیری آن در حل مسائل مربوط به مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی، برق و عمران در حال افزایش است.

در این آموزش ابتدا نحوه ترسیم هندسه و فراخوانی آن از دیگر نرم افزارها آموزش داده می شود و سپس نحوه تشکیل شبکه به صورت سازمان یافته در هندسه های مختلف بررسی می شود. با توجه به توانایی این نرم افزار در تشکیل شبکه سازمان یافته می توان آن را بهترین نرم افزار در این زمینه معرفی کرد. همچنین استفاده از شبکه سازمان یافته سبب کاهش زمان حل شبیه سازی عددی می شود و از این رو، یادگیری این نرم افزار مورد توجه بسیاری از مهندسان است. در این نرم افزار، شبکه سازمان یافته با ایجاد بلاک تشکیل می شود.

استفاده از سیستم های سیالاتی در صنعت، باعث تشدید نیرو می شود. در این بین استفاده از سیال هوا به دلیل در دسترس بودن و پاک بودن آن، امروزه در صنعت رشد چشمگیری داشته است. بسیاری از سیستم های تولیدی صنایع غذایی، از هوای فشرده به عنوان منبع تولید و تشدید نیرو استفاده می کنند. با استفاده از قوانین فیزیکی حاکم بر هوای فشرده و قطعات مختلف موجود می توان مدارهایی طراحی کرد که در جاهایی که نیاز به فشار کاری بالایی نیست و پاکی سیستم مطرح است، از آن ها استفاده کرد.

مدل سازی مدارهای طراحی شده قبل از پیاده سازی آن، امری اجتناب ناپذیر بوده و در تمام رشته ها استفاده می شود. نرم افزار Fluidsim، نرم افزاری جهت مدل سازی مدارهای هیدرولیکی و پنوماتیکی می شناسیم که توسط شرکت Festo طراحی شده است. در این فرادرس، سعی داریم تمام نکات این نرم افزار به همراه مثال های کاربردی آموزش داده شود.

نرم افزار انسیس جزء پرکاربردترین نرم افزارها در رشته های فنی مهندسی است. این نرم افزار بر پایه حل عددی به روش اجزاء محدود، قادر است تمامی مدل سازی ها و تحلیل ها در حیطه مکانیک محیط های پیوسته و ناپیوسته را با دقت بالایی انجام دهد. دامنه کاری این نرم افزار در اکثر رشته های فنی و مهندسی می باشد. یادگیری و توانایی کارکردن با این نرم افزار امتیاز بزرگی برای دانشجویان و مهندسین رشته های مختلف می باشد.

بررسی جریان لزج در مسائل مکانیک سیالات، نقش اساسی در یادگیری مباحث مکانیک سیالات همچون: پدیده های سیال، انتقال حرارت، انتقال انرژی، جریان های واکنشی، لایه مرزی و توربولانس دارد. همچنین تمامی افرادی که در زمینه مکانیک سیالات با نرم افزارهای شبیه ساز کار می کنند و یا قصد انتشار مقاله را دارند، ضروری است بر مبانی جریان لزج به طور کامل مسلط شوند.

هدف از این آموزش طراحی هیدرولیک پمپ گریز از مرکز با استفاده از نرم افزار CFturbo می باشد. این نرم افزار با استفاده از توابع تئوری و تجربی موجود در دیتابیس خود مراحل طراحی را انجام می دهد. توانایی در استفاده مناسب از نرم افزار، نیازمند شناخت اولیه ای از پمپ های گریز از مرکز و مشخصه های هندسی، عملکردی و منحنی های این ماشین ها می باشد. با توجه به اهمیت طراحی هیدرولیک به عنوان پایه اولیه برای طراحی و ساخت پمپ، داشتن تخصص در استفاده از نرم افزارهای مرتبط از جمله CFturboo اهمیت بالایی دارد.

نرم افزار Tecplot 360، محیطی ساده و کاربرپسند دارد که به کاربران کمک می کند تا به سرعت اطلاعات خود را همان طور که می خواهند، طراحی و ترسیم نمایند. Tecplot 360 یکی از بهترین نرم افزارهای موجود در امر پس پردازش نتایج دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به شمار می رود. از آنجایی که پس پردازش نتایج حاصل از کارهای آزمایشگاهی و CFD امری ضروری است، لذا اهمیت پرداختن به این موضوع و همچنین آموزش آن را دو چندان می کند. این فرادرس به آموزش کار با نرم افزار Tecplot 360 اختصاص دارد.

مکانیک سیالات دوفازی، عنوان درسی است که سعی دارد اصلی ترین و پرکاربردترین مفاهیم جریان دوفازی (جریان مایع و گاز) را که متداول ترین نوع جریان در خط لوله انتقال است، به دانشجویان مهندسی شیمی و نفت بیاموزد. هدف از این درس، رسیدن به شناخت کافی و احاطه کامل به ویژگی های مهم سیالات در جریان دوفازی است. پس از حصول شناخت، مدل های کاربردی برای مدل سازی و پیش بینی رفتار سیال هنگام انتقال در مسیر جریان معرفی و نقاط ضعف و قوت مدل ها بررسی می شود. پس از گذراندن این درس، دانشجو قادر خواهد بود با در نظر گرفتن امکانات و تجهیزات، هزینه های ناشی از انتقال سیال را تخمین زده و تا حدودی جریان سیال را بهینه کند.

یکی از بهترین نرم افزارهای موجود برای تحلیل سیستم های انرژی، نرم افزار ترنسیس (TRNSYS) می باشد. این نرم افزار این امکان را به کاربر می دهد تا با استفاده از کامپوننت های تعریف شده در آن (کامپوننت نشان دهنده اجزای فیزیکی سیستم می باشد) سیستم مورد نظر خود را تحلیل کند. شما می توانید با تهیه این فرادرس در زمانی کوتاه با کلیات نرم افزار ترنسیس آشنا شوید.

هدف از آموزش الکتروهیدرولیک، مطالعه عملکرد سیالات مایع محبوس تحت فشار، در انتقال دقیق و کنترل شده قدرت و حرکت است. ماهیت مایع تحت فشار و تناسب فشار با سطح موجب می شود تا بتوان با تغییر سطح، نیرو و فشار را تشدید نمود. امکان تشدید فشار و نیرو از یک سو و انعطاف پذیری سیستم های هیدرولیکی از سوی دیگر موجب شده تا کارایی این سیستم ها در صنعت افزایش یابد. شناخت روابط و قوانین حاکم بر مایع تحت فشار جهت طراحی از سه بخش اصلی یک سیستم هیدرولیکی (بخش تولید توان - کنترل کننده ها - عملگرها) از مواد ضروری در یادگیری به شمار می رود.

هدف ما از این آموزش، ارتباط نرم افزار EES با نرم افزار متلب است. توانایی و قدرت نرم افزار متلب بر کسی پوشیده نیست و از طرفی، دسترسی به خواص ترمودینامیکی مواد مانند: آنتالپی، آنتروپی، ویسکوزیته و… دست ما را در تحلیل سیستم ها و چرخه های ترمودینامیکی و سیالاتی و بهینه سازی آن ها باز می کند. به طور مثال در معادلات ناویر – استوکس (Navier–Stokes equations) و یا در معادله انرژی، ما برای حل، نیاز به خواص ترموفیزیکی مواد داریم که به راحتی می توانیم این خواص را از نرم افزار EES فراخوانی کرده و معادلات PDE یا Partial Differential Equation حاکم را نیز در نرم افزار متلب حل نماییم.

پمپ ها ماشین آلاتی هستند که به تعداد فراوان در صنایع مختلف و حتی در زندگی روزمره استفاده می شوند. یکی از انواع مهم پمپ ها، پمپ های سانتریفیوژ (گریز از مرکز) هستند که برای انتقال سیال و انتقال انرژی در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. در آموزش پمپ های سانتریفیوژ پس از اشاره ای گذرا به تجهیزات دوار، در مورد پمپ ها و استانداردهای مربوط به آن ها صحبت شده و پس از ارائه مباحث تخصصی و کاربردی در مورد پمپ های گریز از مرکز (طراحی و کارکرد)، تعمیرات و خرابی های آن ها بررسی می گردد.

با توجه به پیشرفت سریع صنعت، باید از تجهیزات جدید و مدرن در حوزه‌ های مختلف از جمله صنعت ساختمان استفاده کنیم. استفاده و طراحی تجهیزات جدید مانند: چیلرهای توربوکر و دیگ‌ های چگالشی که از بازدهی بالایی برخوردار هستند، قابلیت اطمینان و آسایش بالا را فراهم می‌ کنند که با شناخت کامل این تجهیزات، عملکرد آن‌ ها و دانستن توجیه اقتصادی آن‌ ها امکان‌ پذیر است. با توجه به بازدهی بسیار مناسب تجهیزات معرفی شده و رواج استفاده از آن‌ ها در دنیا انتظار می رود که در سال‌ های آتی این محصولات، بازار تجهیزات تهویه مطبوع را در اختیار بگیرند، بنابراین برای تمام دانشجویان، مشاوران و مهندسان فعال در حوزه تهویه مطبوع و تاسیسات و تکنسین‌ ها آشنایی با این تجهیزات یک نیاز مهم است.

میکروسیالات از علومی است که روز به روز بیشتر توسعه می یابد و پیشرفت می کند. انبوه مقالات و کتاب ها در این زمینه موید این حرف است. میکروسیالات، علاوه بر این که دارای پایه و مبنای علمی بسیار قوی می باشد، دارای چشم انداز تکنولوژیک بسیار بالایی نیز است و در واقع با ساخت تجهیزاتی مانند: Lab on a chip که یک آزمایشگاه را در حد یک تراشه کوچک کنید و تمام عملیات های آزمایش را بر روی آن انجام دهید و از پتانسیل بالای میکروسیالات در تکنولوژی پرده بر می دارد.

سیستم Variable refrigerant flow) VRF) یکی از سیستم های جدید تهویه مطبوعی است که توانایی تامین سرمایش و گرمایش را به خوبی داشته و نسبت به رقبای خود یعنی چیلر و دیگ، بازدهی بهتری ارائه می دهد. در این فرادرس تمام نکات مهم و کاربردی VRF ازجمله، اصول طراحی، نصب و توجیه اقتصادی استفاده از آن، آموزش داده می شود.

در این فرادرس قصد داریم با مباحث مقدماتی توربولانس، در ابتدا به صورت کیفی و سپس به صورت کمی آشنا شویم و علاوه بر درک فیزیک مساله، به دنبال ارائه ریاضیات آن خواهیم بود و در این مسیر از توصیفات آماری بهره خواهیم جست و در این میان با پیچیدگی توربولانس و اهمیت آن آشنا می شویم. اهمیت این فرادرس آشنایی علاقه مندان و کسانی که برای انجام کار تحقیقاتی و یا عملی نیازمند دانش در زمینه توربولانس هستند، با این زمینه است و در واقع، مخاطبان این آموزش با داشتن دانش مقدماتی مکانیک سیالات می توانند به خوبی با این آموزش همراه شوند و روند بررسی یک جریان توربولانس و فیزیک و ریاضیات آن را متوجه شوند.

در بخش مقدماتی آموزش آزمایشگاه روی تراشه (LOC) – مقدماتی لینک (+) با مبانی مکانیک سیالات و به طور خاص، قوانین بقا آشنا شدید و در واقع معادلات حاکم بر حرکت سیال را دیدید. در ادامه به بررسی جریان داخلی در مکانیک سیالات کلاسیک و اصلاحیات میکروسیالات بر روی آن ها و همچنین جریانات پایا و غیر پایا در میکروسیالات آشنا شدید، اما در میکروسیالات، جریانات خارجی نیز مهم هستند، به همین دلیل این آموزش با جریانات خارجی و درگ استوکس روی کره آغاز می شود و در ادامه، تئوری لوبریکیشن معرفی می شود و مفاهیم و اهمیت این تئوری در میکروسیالات، مورد استفاده قرار می گیرد و به بحث درباره شرط مرزی لغزش و عدم لغزش در مکانیک سیالات و به طور خاص در میکروسیالات پرداخته می شود و پارامترهای مهم برای داشتن شرط مرزی لغزش و یا عدم لغزش بررسی می شوند.

در بخش مقدماتی آموزش نرم‌افزار Tecplot 360، با مبانی نرم‌افزار و به طور خاص، رسم نمودارهای دوبعدی دینامیک سیالات محاسباتی آشنا شدید، با توجه به قابلیت فراوان این نرم‌افزار برای پس‌پردازش اطلاعات، فراگیری بیشتر این نرم‌افزار برای استخراج نتایج و به خصوص نمایش بهتر آن‌ها، امری ضروری محسوب می‌شود. در این فرادرس فرمت‌های مختلف فراخوانی داده‌ها، رسم نمودارهای دوبعدی پیشرفته و تحلیل داده‌ها و رسم کانتورهای دوبعدی و سه‌بعدی رو بررسی می‌کنیم.

در این آموزش، ابتدا ماژول‌های مختلف نرم‌افزار را معرفی می‌کنیم و در ادامه به معرفی بخش‌ها و منوهای مختلف نرم‌‌افزار پرداخته و فرمول‌ها و اصول محاسبات استفاده ‌شده در نرم‌افزار را بیان می‌کنیم. سپس با حل مثال‌هایی از سطح ساده تا دشوار، کلیه آموزش‌ها را مرور‌ کرده و در انتها دانشجو می‌تواند محاسبات هیدرولیکی را برای سیالات آب، هوا، نیتروژن و یا سیال‌های تعریف‌ شده خود کاربر انجام دهد و افت فشار یک سیستم لوله‌کشی را محاسبه ‌‌نموده و یا با تعیین حداکثر سرعت مجاز، از انتخاب سایز مناسب مسیر لوله‌کشی، اطمینان حاصل نماید.

هدف از این آموزش، بررسی نکات و تشریح مطالبی است که هر دانشجوی رشته مکانیک و یا علاقه‌مندان به سیستم‌های سرمایشی، به آن نیاز دارند. در این آموزش روی رفتار سیستم‌های تبرید بررسی صورت ‌گرفته است و معایب و محاسن هر یک بیان شده است و سعی بر این است که هر درس با درس دیگر، در ارتباط باشد. در بسیاری از مثال‌ها، از مسائل عملی استفاده ‌شده تا کاربرد تئوری و عملی با هم آمیخته شوند و شناخت خوبی برای مخاطب ایجاد شود. درس‌ها طوری تنظیم شده‌اند که به دروس پیش‌نیاز، مانند: فیزیک حرارت و ترمودینامیک نیازی نباشد و مخاطبان بتوانند موضوعات مورد دلخواه خود را در بین مباحث دنبال کنند.

اخیرا همراه داشتن فایل خروجی نرم افزار کریر (Carrier HAP)، جزو چک لیست سازمان نظام مهندسی ساختمان محسوب می شود که خود گواه بر اعتبار این نرم افزار در بین مهندسان طراح و مشاور است که فراگیری آن، هم در زمینه انجام محاسبات و طراحی و هم در زمینه توانایی مشاهده و چک کردن فایل های ارائه شده توسط دیگر مهندسان، امری الزامی به شمار می رود. نرم افزار کریر (Carrier HAP)، نرم افزاری مفید و کاربردی در زمینه محاسبات بارهای حرارتی و برودتی است که در این فرادرس سعی شده علاوه بر توضیح جزئیات نرم افزار در هر قسمت، مخاطب با تجهیزات تهویه مطبوع و نحوه محاسبات بارهای حرارتی و برودتی به صورت دستی و همچنین مبحث سایکرومتری (Psychrometric) که یکی از ابزارهای مهم مهندسان طراح در زمینه تاسیسات و تهویه مطبوع است، آشنا گردد.