1. سیال ایده آل
2.سیال واقعی
3. سیال نیوتنی
4. سیال غیر نیوتنی، و
5. مایع پلاستیکی ایده آل
1. مایع ایده آل:
سیالی که نمی تواند فشرده شود و ویسکوزیته ندارد در دسته سیال ایده آل قرار می گیرد. سیال ایده آل در عمل واقعی یافت نمی شود اما یک سیال خیالی است زیرا تمام سیالی که در محیط وجود دارد مقداری ویسکوزیته دارد. هیچ سیال ایده آلی در واقعیت وجود ندارد.خوب حالا میریم سراغ سیالات واقعی که هستند این نوع فقط فرضی هست تو کتابهای درسی
2. مایع واقعی:
سیالی که حداقل ویسکوزیته داشته باشد سیال واقعی نامیده می شود. در واقع تمام سیالات موجود یا موجود در محیط را سیال واقعی می نامند. به عنوان مثال آب
3. سیال نیوتنی:
اگر یک سیال واقعی از قانون ویسکوزیته نیوتن پیروی کند (یعنی تنش برشی با کرنش برشی نسبت مستقیم دارد) به آن سیال نیوتنی می گویند.سیالات نیوتنی دارای ویسکوزیته ثابتی هستند که بدون توجه به فشاری که به سیال وارد می شود، تغییر نمی کند. این همچنین به این معنی است که آنها فشرده نمی شوند.
4. سیال غیر نیوتنی:
اگر سیال واقعی از قانون ویسکوزیته نیوتن پیروی نکند، سیال غیر نیوتنی نامیده می شود.
5. سیال پلاستیکی ایده آل:
سیال با مقدار تنش برشی بیشتر از مقدار تسلیم و تنش برشی متناسب با کرنش برشی (شیب سرعت) به عنوان سیال پلاستیک ایده آل شناخته می شود.
نمودار بین تنش برشی و گرادیان سرعت برای انواع مختلف سیالات من اوردم :
دقت کنید سیال نیوتنی به سیالی گفته می شود که ویسکوزیته تنها به دما و فشار بستگی دارد و به نیرویی که به آن اعمال می‌شود وابسته نیست. همچنین رابطه میان تنش و نرخ کرنش به صورت خطی است.اول، چند معادله!
سیال نیوتنی سیالی است که برای آن
$\tau = \eta(T) \cdot \dot \gamma$
که در آن τ تنش برشی، η ویسکوزیته، T دما و$\dot \gamma$ نرخ برش است.
τ نشان دهنده نیرویی در واحد سطح است که مایع جاری بر یک سطح در جهت موازی با جریان وارد می کند.
γ˙ به طور کلی تانسور$\dot \gamma_{ij}$ است و به این صورت تعریف می شود
$\dot \gamma_{ij} = \frac{\partial v_i}{\partial x_j}+\frac{\partial v_j}{\partial x_i}$
که در آن$v_i$ اجزای میدان سرعت سیال است. اگر یک "ساندویچ" از دو صفحه حاوی یک لایه سیال با ضخامت کوچک h با یک صفحه ثابت و دیگری با سرعت v حرکت کنیم، به سادگی خواهیم داشت.
$\dot \gamma = \frac v h$
(زیرا از آنجایی که h کوچک است می توانیم این تقریب را انجام دهیم که سرعت سیال تقریباً ثابت و برابر با سرعت صفحه است).
تنش برشی پس از آن خواهد بود
$\tau = \eta(T) \frac v h$
برای یک سیال غیر نیوتنی، ویسکوزیته η به نرخ برش نیز بستگی دارد:
$\tau = \eta(T, \dot \gamma) \cdot \dot \gamma$
به طوری که برای کیس صفحات کشویی داریم
$\tau = \eta \left(T, \frac v h \right) \cdot \left( \frac v h \right)$
خوب، معادلات خوب: اما این همه به چه معناست؟
ویسکوزیته η معیاری برای مقاومت سیال در برابر تنش برشی اعمال شده است: اگر سیال ویسکوزیته زیادی داشته باشد، حتی یک نرخ برشی کوچک هم تنش برشی بزرگی ایجاد می کند، یعنی نیروی وارد شده به سطح زیاد خواهد بود و ایجاد جریان مایع (به عنوان مثال در داخل یک لوله) دشوار خواهد بود.
برای سیالات نیوتنی، مهم نیست که با چه سرعتی تنش را اعمال کنید: ویسکوزیته، یعنی پاسخ به تنش، ثابت خواهد بود. نمونه هایی از سیالات نیوتنی عبارتند از آب، بنزین و الکل.
برای سیالات غیر نیوتنی، توجه به سرعت اعمال تنش بسیار مهم است: برخی از سیالات به نام ضخیم شدن برشی وجود دارند که ویسکوزیته آنها با تنش افزایش می یابد. برای برخی دیگر که نازک شدن برشی نامیده می شوند، ویسکوزیته با تنش کاهش می یابد.
$Re_{nN} = \frac{D^2 \rho}{\nu \bar{v}}\, .$
سیالات غیر نیوتنی دقیقا برعکس هستند - اگر نیروی کافی به این سیالات وارد شود، ویسکوزیته آنها تغییر می کند.به عنوان مثال، سس کچاپ با تکان دادن روان تر می شود و بنابراین یک مایع غیر نیوتنی است. بسیاری از محلول های نمک و پلیمرهای مذاب مایعات غیر نیوتنی هستند، مانند بسیاری از مواد معمولی مانند کاستارد، خمیر دندان، سوسپانسیون نشاسته، نشاسته ذرت، رنگ، خون، کره ذوب شده و شامپو.سیالات نیوتنی از قانون ویسکوزیته نیوتن پیروی می کنند. ویسکوزیته مستقل از نرخ برش است. سیالات غیر نیوتنی از قانون نیوتن پیروی نمی کنند و بنابراین ویسکوزیته آنها (نسبت تنش برشی به سرعت برشی) ثابت نیست و به سرعت برش بستگی دارد.
به عنوان مثال، سس کچاپ یک مایع رقیق کننده است: ممکن است متوجه شده باشید که آیا در بیرون آوردن آن از بطری با مشکل مواجه شده اید. برای موفقیت در کار چه می کنید؟ بطری را محکم می زنید: به این ترتیب، سرعت برش افزایش می یابد (به سرعت نسبی بین سس کچاپ و دیواره های داخلی بطری فکر کنید) و ویسکوزیته کاهش می یابد.
نمونه‌هایی از سیال‌های غلیظ برشی عبارتند از: شن روان و معروف "اوبلک" (نشاسته+آب): هر چه سریعتر تنش را اعمال کنید، ویسکوزیته بالاتر می‌رود. به همین دلیل است که آشفتگی و مبارزه با شن‌های روان فقط آن را بدتر می‌کند و همچنین به همین دلیل است که وقتی روی یک مخروط بلندگو با ارتعاش سریع قرار می‌گیرید، اوبلک تقریباً جامد به نظر می‌رسد.
سیال غیر تیوتنی به سیالی گفته می شود که در آنها رابطه بین تنش برشی و گرادیان سرعت غیر خطی است . همچنین ویسکوزیته سیال غیر نیوتنی با اعمال نیرو به آن تغییر می کند. و به دو دسته تقسیم می شوند:
سیالات غیرنیوتنی مستقل از زمان
سیالات غیرنیوتنی وابسته به زمان
سیالات غیر نیوتنی مستقل از زمان
در ابتدا به بررسی دسته اول سیالات غیر نیوتنی می‌پردازیم که ویسکوزیته آن ها تنها به مقدار نیروی وارد شده وابسته است و به زمان اعمال نیرو بستگی ندارد. از این نوع سیالات می‌توان به
سیالات دیلاتانت
شبه پلاستیک
بینگهام
اشاره کرد، در ادامه به بررسی و معرفی هر کدام از انواع سیال غیرنیوتنی میپردازم
سیال دیلاتنت
زمانی که این سیال غیرنیوتنی در حالت عادی است و هیچ تنش و نیرویی به آن اعمال نمی شود ، خواص آن بسیار مشابه با مایعات است و دقیقا همان چیزی است که انتظارش را دارید. ولی اگر نیروی زیادی به آن اعمال شود ویسکوزیته آن افزایش می‌یابد و رفتاری مانند یک جامد از خود نشان می دهد.
سیالات دیلاتانت رفتار Shear Thickening دارند، یعنی این نوع از سیالات با افزایش تنش برشی مقاومتشان افزایش می یابد. به عنوان مثالی از سیال دیلاتانت می‌توان به نشاسته در آب و خاک رس اشاره کرد.
سیال غیر نیوتنی - سیال دیلاتنت
سیال شبه پلاستیک
سیالات شبه پلاستیک در هنگام اعمال نیرو خواصی دقیقا برعکس خواص سیال دیلاتانت از خود نشان می دهند. در واقع هرچه نیروی اعمالی بیشتر باشد بسیار روان‌تر و ویسکوزیته آن ها کمتر می شود.
سیالات غیر نیوتنی از نوع شبه پلاستیک (Pseudoplastic) ، رفتاری از نوع تضعیف شونده یا Shear Thining دارند و لزجت آنها با افزایش نرخ برش کاهش می یابد. نمونه‌هایی از سیالات شبه پلاستیک می توان به مرکب چاپ، محلول شیردهی، امولسیون ها، گریس ، صابون ،رنگ و سس کچاپ اشاره کرد.
سیالات غیر نیوتنی شبه پلاستیک (Pseudoplastic) - سیال غیر نیوتنی
سیال بینگهام
نوع دیگری از سیالات غیرنیوتنی مستقل از زمان نیز وجود دارد که به عنوان سیال بینگهام ( Bingham Fluid ) شناخته می شود. این نوع سیال برای جاری شدن و جریان یافتن، نیاز به یک مقدار مشخص تنش اولیه هستند. در واقع یک آستانه تنش برشی برای آنها تعریف شده که قبل از آنکه میزان تنش برشی به این آستانه برسد، هیچ جریانی دیده نمی‌شود و بعد از آن، سیال شروع به جریان یافتن می‌کند. این سیالات را سیالات پلاستیک می‌نامند. سیال بینگهام به نوعی از سیالات پلاستیک گفته می‌شود که ویسکوزیته آنها ثابت باقی می‌ماند.
رفتار این سیال تحت تنش های کمتر از تنش تسلیم رفتار جامد را از خود نشان می دهد و تحت تاثیر تنش های بالاتر از آن رفتار سیال دارد، مانند خمیر دندان و کامپوزیت های سیلیکا-پلیمری.
سیالات غیرنیوتنی وابسته به زمان
در این قسمت به نوعی از سیالات غیرنیوتنی می پردازیم که ویسکوزیته و لزجت آن ها به زمان اعمال نیرو وابسته است. این نوع سیال غیرنیوتنی شامل سیالات رئوپکتیک (Rheopectic) و تیکسوتروپیک (Thixotropic) می شوند.
رئوپکتیک و تیکسوتروپیک، سیالاتی هستند که به زمان وابسته هستند و ویسکوزیته آنها هنگام وارد شدن یک نیرو و تنش برشی در طول زمان، تغییر می‌کند.
سیالات غیرنیوتنی سیالات رئوپکتیک (Rheopectic) و تیکسوتروپیک (Thixotropic)
سیال رئوپکتیک
ویسکوزیته سیالات رئوپکتیک در صورتی که در طول یک زمان تحت تنش قرار بگیرند، افزایش می‌یابد. در واقع همچون جامدات می‌توان برای این سیالات نیز یک حافظه تنشی در نظر گرفت که مقدار ویسکوزیته آنها در یک جریان و با گذشت زمان افزایش می‌یابد.
در واقع اگر نیرویی به صورت ناگهانی به سیال رئوپکتیک وارد شود، تغییری در این سیال غیرنیوتنی ایجاد نمی‌شود و باید مدتی از زمان سپری شود تا اثر آن مشخص گردد و در نتیجه نیروی وارد شده سیال سفت شود و ویسکوزیته آن افزایش پیدا کند. از جوهر پرینتر و خامه به عنوان مثالی از این سیالات می توان نام برد.
باید توجه شود که در این گونه سیالات برای ثابت نگه داشتن نرخ کرنش در طول زمان، به علت افزایش ویسکوزیته باید تنش برشی نیز با گذشت زمان افزایش یابد.
سیال تیکسوتروپیک
نوع دیگر از سیالات غیر نیوتنی که ویسکوزیته آن به زمان وابسته است سیال تیکسوتروپیک است. این سیالات، خواصی دقیقا مخالف با خواص سیالات رئوپکتیک دارند. بنابراین با اعمال نیرو در طول زمان به این نوع از سیالات، ویسکوزیته آنها کاهش می‌یابد و روان‌تر می‌شوند. عسل به عنوان یک سیال تیکسوتروپیک شناخته می شود.
در حالت کلی سیالات تیکسوتروپیک در تنش برشی ثابت با گذشت زمان رقیق می شود یا به عبارت دیگر با گذشت زمان برای ثابت نگه داشتن گرادیان سرعت تنش برشی کمتری لازم دارد و سیالات رئوپکتیک در تنش برشی ثابت با گذشت زمان غلیظ می شوند. یا به عبارت دیگر با گذشت زمان برای ثابت نگه داشتن گرادیان سرعت تنش برشی بیشتری لازم است.
عسل سیال تیکسوتروپیک
تعاریف :
الف ) لزجت (Viscosity)
لزجت يك اندازه اي از چسبندگي ( وشكساني ) يك سيال است . اين چسبندگي زماني ظاهر مي شود كه يك سطح از سيال نسبت به سطوح ديگر داراي حركت نسبي است ، كه اين چسبندگي نيروي بزرگي از لحاظ مقدار نياز دارد تا موجب حركتش شود كه به آن نيروي برشي (shear) مي گويند .
نيروي برشي (shear stress) زماني واقع مي شود كه سيال حركت فيزيكي (physically) داشته باشد كه اين حركات از قبيل :
ـ‌ريزش Pouring
ـ پهن شدن Spreading
ـ پاشش Spraying
ـ بهم زدن Mixing
سيالاتي كه از لحاظ مقدار ، لزجت بيشتري دارند نيروي برشي بيشتري نسبت به سيالات با لزجت كمتر نياز دارند .
ب ) گراديان (Gradinet)
گراديان سرعت اندازه اي از مقدار سرعت لايه هاي مياني است كه حركتي نسبي ، نسبت به يكديگر دارند ، كه توصيفي از برش سيالات آزمايشي است و نرخ برش (R) ناميده مي شود و واحد آن معكوس ثانيه (S-1 : Reciprocal sec.) است .
پ ) نيروي برشي( Shear Stress)
ترم نشان دهنده نيرو بر واحد سطح مورد نياز است ، تا توليد يك عمل برشي را داشته باشيم كه به تنش برشي (Sort) نامگذاري شده است و واحد آن (N/m2) است .
ـ در نتيجه لزجت ( ويسكوزيته ) مي تواند به شكل زير تعريف شود :
(R) نرخ برش / ( S) تنش برشي = لزجت
يكاي اصلي ( بنيادي ) لزجت (poise) است و هر 10 پویز برابر یک پاسکال-ثانیه (Pa-S) می باشد .
سيالات نيوتني (Newtonian Fluids )
در بالا نمودارها روابط بين تنش برشي و نرخ برش و لزجت سيالات را در مقادير برش مختلف نشان مي دهد . نمونه سيالات نيوتني شامل آب ، روغن موتور رقيق ، الکل و هوا می باشد
رفتار يك سيال نيوتني در آزمايشات كنترل شده با دما و فشار ثابت به اشكال زير نمايان مي شود .:
1ـ تنها تنش توليد شده در يك برش ساده سيال تنش برشي S است و دو تنش نرمال ديگر صفر است.
2ـ لزجت برشي با نرخ برش ، تغيير نمي كند .
3ـ لزجت نسبت به زمان برش و تنش در ريزش مايع ثابت است و وقتي كه برش متوقف شد فوراً به صفر ميل مي كند..
4- ویسکوزیته های اندازه گیری شده در نوعهای مختلف از تغییر شکل ، عمدتا نسبت ساده ای با یکدیگر دارند.
سيالات غير نيوتنی
( Non newtionian Fluids )
الف - مستقل از زمان ( Time Independent)
يك سيال غير نيوتني به عنوان سيالي كه از رابطه ي لزجت تبعيت نكند و مقدار آن ثابت نباشد، تعريف مي شود . مقدار لزجت سيالات غير نيوتني زماني كه نرخ تنش برشي تغيير مي كند تنش برشی سیال به مولفه همسطح تنش همراه با مقطع یک ماده اشاره دارد. این به دلیل بردار نیروی جزء است که مشابه سطح مقطع است.$\tau_{ij}= \eta \frac{\partial u_i}{\partial x_j}$، متنوع است . بدين معني كه ، پارامترهاي مدل هاي ويسكومتر ، محور (Spindle) و سرعت چرخش داراي تأثيري بر اندازه لزجت است. اين پارامتر لزجت به لزجت ظاهري (apparent viscosity) ناميده مي شود و درست زماني است كه مقادير بدست آمده از آزمايشات ، متفق اند .
انواع مختلفي از سيالات غير نيوتني وجود داردکه پاسخهای مختلفی در نرخهای برشی اعمال شونده از خود نشان می دهند :
1. Pseudoplastic
2. Dilatant
3. Bingham plastic
1ـ پزودو پلاستيك (پبه پلاستيك ) Pseudo plastic
لزجت اين نوع سيالات با افزايش نرخ برش ، كاهش مي يابد . كه از اين نوع مي توان به مواد زير اشاره كرد .كه به اين نوع از رفتار رقيق گرداني برش (shear – thinning) مي گويند .
مثالها :
مركب چاپ printers ink تفاله كاغذ paper pulp
نشاسته Starch گريس Greases
محلول هاي شيره اي Latex Solutians صابون Soap
امولسيون ها Most emulsions رنگ Paint
2ـ ديلانت ها ( گشاده شونده ، متسع ) Dilatants
توصيفي است از افزايش لزجت سيال با افزايش نرخ برش . اين سيالات به نام ضخيم شونده برش مايعات Sear – thickening liquids نيز ناميده ميشوند .
مثالها :
شنزار Beach sand فلدسپاپ Feldspar
شن هاي روان Quick Sand نوعي شيشه معدني Mica
نشاسته در آب Starch in water خاك رس Cloy
تركيبات شيرين ، نبات Candy Compound
3ـ بينگهام (Bingham )
رفتار مايعات ، همچون جامدات تحت شرايط استاتيك است . مقدار مشخصي از نيرو بايد بكار برود تا سيال قبل از هرگونه سيلان يافتن (Flow) تحريك شود . اين نيرو به نام مقدار تسليم (yield Value) است . سوپ گوجه فرنگي يك مثال از اين قبيل سيالات است .
مثالها :
لجن Mud ماسه Clay
قير Tar لجن فاضلاب Sludge
ب - وابسته به زمان ( Time Dependent)
بعضي از سيالات يك تغييري در لزجت را با زمان كه تحت شرايط نرخ برش ثابت است ، نمايش مي دهند .
1ـ تيكسوتروپيك ( Tixotropic )
سيالاتي كه لزجت آن ها با زمان كاهش مي يابد ، در حاليكه آن شئ با برش ثابت است .
2ـ‌رئوپكتيك ( Rheopectic )
مقدار لزجت اينگونه سيالات با گذر زمان افزايش مي يابد به طوري كه برش آن ها در يك نرخ ثابت است .hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا