ميكانيكا الموائع

ميكانيكا الموائع (بالإنجليزية: Fluid Mechanics) هو تخصص فرعي من ميكانيكا المواد المتصلة (بالإنجليزية: Continuum Mechanics) وهو معني أساسا بالموائع، التي هي أساسا السوائل والغازات، ويدرس هذا التخصص السلوك الفيزيائي الظاهر الكلي لهذه المواد، ويمكن تقسيمه من ناحية إلى إستاتيكا الموائع- أو دراستها في حالة عدم الحركة، أو ديناميكا الموائع أو دراستها في حالة الحركة، ويندرج تحتها تخصصات أخرى معينة، فهناك الديناميكيات الهوائية (أيروديناميك) والديناميكيات المائية (هيدروديناميك). يسعى هذا التخصص إلى تحديد الكميات الفيزيائية الخاصة بالموائع، وذلك مثل السرعة ، الضغط ، الكثافة ، و درجة الحرارة، واللزوجة ومعدل التدفق، وقد ظهرت تطبيقات حسابية حديثة لإيجاد حلول للمسائل المتصلة بميكانيكا الموائع، ويسمى التخصص المعني بذلك ديناميكيات الموائع الحسابية (بالإنجليزية: Computational Fluid Dynamics) (CFD).

العلاقة بين ميكانيكا الموائع وميكانيكا المواد المتصلة

تعتبر ميكانيكا الموائع غالبا أحد التخصصات الفرعية لميكانيكا المواد المتصلة، كما هو موضح في الجدول التالي

ميكانيكا المواد المتصلة دراسة الطبيعة الفيزيائية للمواد المتصلة	ميكانيكا المواد الصلبة: دراسة المواد المتصلة التي لها شكل محدد تستقر عليه.	المرونة: تصف المواد التي ترجع إلى شكلها الأصلي في حالة الاستقرار بعد تعرضها للإجهاد الميكانيكي أو الضغط
		البلاستيكية: وتصف المواد التي يتغير شكلها بشكل دائم بعد تعرضها للإجهاد الميكانيكي أو الضغط	علم المواد ذات الطبيعة المزدوجة (صلبة-سائلة): ويعنى بدراسة هذه المواد مثل اللدائن
	ميكانيكا الموائع: دراسة المواد التي تتخذ شكل الوعاء الذي يحتويها	الموائع غير الخاضعة لقوانين نيوتن
		الموائع الخاضعة لقوانين نيوتنs

ومن الناحية الميكانيكية، فإن الموائع هي مواد لا تتأثر بوجود إجهاد ميكانيكي في اتجاه مواز لسطحها، وهذا هو السبب الذي يجعل الموائع الموجودة في حالة عدم حركة تتخذ شكل الوعاء الذي يحتويها.

أساسيات الانتقال الحرارى وسريان الموائع

المعادلات الأساسية

نظام المعادلات الآتية للانتقال الحراري وسريان الموائع تتكون أساسا من معادلة الاتصال (معادلة حفظ الكتلة) ومعادلة حفظ كمية الحركة ومعادلة حفظ كمية الطاقة. سوف لا نعتبر الظواهر المعقدة التى ليست وثيقة الصلة بمناقشتنا، وسوف نتقيد بالظواهر الفيزيائية تحت الشروط الأتية:

الموائع تكون غير قابلة للانضغاط وتكون نيوتونية (Newtonian). وسوف لا نأخذ في الاعتبار عدم تغير الكثافة إلا في حالة توليد قوى الطفو. وتكون خصائص الاستقرار وعدم الاستقرار مرتبطة معا.
الخصائص الفيزيائية للموائع تكون ثابتة.
في الصيغ المختلفة للطاقة سوف نعتبر فقط الطاقة الحرارية. وسوف نهمل الإخماد الذي هو تحويلة عكسية من طاقة حركيةإلى طاقة حرارية إلا في حالة سريان أو جريان مضطربة.

تحت هذه الشروط نريد أن نصل إلى فيزياء إضافية مثل التنامي في الموجات السمعية. تحت هذه الشروط يمكن الحصول على المعادلات التالية:

معادلة حفظ المادة (أو الاتصال):

$\frac{\partial\rho}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho\mathbf{u})=0\ \ \ \ \ \ \ \ (1)$

معادلة حفظ كمية الحركة:

$\frac{\partial \rho u}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho\mathbf{u^2})=-\nabla p - [\nabla\cdot\mathbf{\tau}] + \rho\mathbf{g}\ \ \ \ \ \ \ \ (2)$

معادلة حفظ الطاقة:

$\frac{\partial}{\partial t}(\frac{1}{2}\rho u^2+\rho U) = -(\nabla\cdot\mathbf{e}) + \rho(\mathbf{v}\cdot\mathbf{g})\ \ \ \ \ \ \ \ (3)$

حيث أن $\mathbf{u}$ هى متجه السرعة و $p$ هو الضغط، و $ρ$ هي الكثافة و هي الطاقة و هي متجه الجاذبية الأرضية ترمز للزوجة المائع (كجم/م.ث) و هى الحرارة النوعية تحت ضغط ثابت (جول/كجم.كلفن) و هى النفاذية الحرارية (شغل/م.كلفن). ومعدل توليد الحرارة الحجمى لوحدة الحجوم يمثل بـ . اما معادلات بقاء كمية كمية الحركة تعرف بمعادلات نافير- ستوكس. يمكن للقارىء الرجوع إلى أى كتاب في أساسيات ميكانيكا الموائع لاشتقاق هذه المعادلات.

سوف نحلل السريانات ثنائية البعد وان هناك موضعيين ممكنين: (1) مركبة السرعة في اتجاه تهمل لصغرها اذا ما قورنت بمركبات السرعة هى الاتجاهين الاخريين . وبالتالى لا تعتبر دالة في . (2) التغيرات في بالنسبة لاتجاه مثلا يفترض انها معلومة. وبمعنى اخر يمكن اعتبار عمليات الانتقال دوال في فقط.

تصنيف الصفحة: ميكانيكا الموائع