سیالات غیرنیوتنی
محتوای متن
مقدمه ای بر سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی
رفتار سیالات در مواجهه با تنش، از بنیادیترین مفاهیم در دینامیک سیالات است که به طور کلی به دو رده نیوتنی و غیرنیوتنی تقسیم میشود. در سیالات غیر نیوتنی، بر خلاف سیالات نیوتنی، رابطهای خطی و ساده بین تنش برشی و نرخ کرنش وجود ندارد و رفتارهای پیچیدهای از خود بروز میدهند که وابسته به پارامترهای مختلفی از جمله نرخ برش و زمان است. در این مقاله، به معرفی اجمالی سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی پرداخته میشود. ابتدا ویژگیهای اصلی سیالات نیوتنی بررسی شده سپس رفتار پیچیدهتر سیالات غیرنیوتنی تحلیل میگردد. در نهایت، دستهبندی کاملی از انواع سیالات غیرنیوتنی ارائه میدهد.
ویسکوزیته(گرانروی )
μ = τ / (du/dy)
ویسکوزیته :μ
تنش برشی :τ
سیالات نیوتنی(Newtonian Fluids)
سیالات نیوتنی دستهای از سیالات هستند که از قانون ویسکوزیته نیوتن پیروی میکنند. در این سیالات، رابطه بین تنش برشی و نرخ کرنش برشی کاملاً خطی است:
τ = μ . (du/dy)
در این نوع سیالات ویسکوزیته (μ) تحت دما و فشار ثابت، همواره مقدار معین و ثابتی دارد، این ویژگی باعث میشود که رفتار این سیالات کاملاً قابل پیشبینی باشد. به عنوان مثال، آب، هوا، روغنهای معدنی ساده و الکل از جمله سیالات نیوتنی محسوب میشوند.
سیالات غیر نیوتنی(Non-Newtonian Fluids)
در سیالات غیرنیوتنی رابطه بین تنش برشی و نرخ کرنش برشی غیرخطی بوده و ویسکوزیته میتواند تحت تأثیر عواملی مانند نرخ برش، مدت زمان اعمال تنش یا تاریخچه تغییر شکل، تغییر کند.
دسته بندی سیالات غیرنیوتنی
| نوع سیال غیر نیوتنی | رفتار ویسکوزیته | مثالها | توضیح مختصر |
|---|---|---|---|
| شبه پلاستیک
(Shear-Thinning) |
با افزایش نرخ برش کاهش مییابد | رنگ، خون، کچاپ، سس مایونز | رایجترین نوع. در برش بالا راحتتر جریان مییابد. |
| دیلاتنت
(Shear-Thickening) |
با افزایش نرخ برش افزایش مییابد | مخلوط آب و نشاسته، شنهای روان | در برش بالا مقاومت بیشتری نشان میدهد. |
| بینگهام پلاستیک
(Bingham plastic) |
پس از گذر از تنش تسلیم رفتار نیوتنی پیدا میکند | خمیر دندان، گل حفاری، بتن تازه | تا رسیدن به تنش آستانه مانند جامد رفتار میکند. |
| تیکسوتروپیک (Thixotropic) | با گذشت زمان تحت برش ثابت کاهش مییابد | ماست، برخی جوهرها، ژلها | با توقف برش، به تدریج ویسکوزیته اولیه بازمیگردد. |
| رئوپکتیک (Rheopectic) | با گذشت زمان تحت برش ثابت افزایش مییابد | برخی کرمها، مخلوطهای غلیظ | برعکس تیکسوتروپی؛ با توقف برش به حالت اول برمیگردد. |
| ویسکوالاستیک
(Viscoelastic fluid) |
ترکیب رفتار ویسکوز و الاستیک | پلیمرها، ژلهای پلیمری | هم رفتار سیال و هم رفتار جامد از خود نشان میدهد. |
معیارهای انتخاب مدلهای رئولوژیکی در سیالات غیرنیوتنی:
انتخاب مدل بهینه برای توصیف سیالات غیرنیوتنی نیازمند تحلیل سیستماتیک ویژگیهای رئولوژیکی و الزامات کاربردی است. گام نخست، واکاوی دقیق رفتار مکانیکی سیال شامل بررسی وجود تنش تسلیم، وابستگی ویسکوزیته به نرخ برش و اثرات وابسته به زمان می باشد. گام بعدی تعیین محدوده نرخ برش در کاربرد واقعی است، چرا که عملکرد مدلهای رئولوژیکی معمولاً در دامنههای مختلف نرخ برش، تغییرات محسوسی نشان میدهد. ملاحظات نهایی در انتخاب مدل، به عواملی مانند دقت پیشبینی رفتار سیال، میزان پیچیدگی محاسباتی مدل و دسترسی به دادههای تجربی قابل اطمینان برای کالیبره کردن پارامترهای مدل وابسته است. این رویکرد یکپارچه، تضمین میکند که مدل نهایی در شرایط عملی نیز قابلیت اجرا و کارایی داشته باشد. در جدول زیر انواع مدل کاربردی برای توصیف رفتار سیالات غیر نیوتنی نمایش داده شده است.
مقایسهی مدلهای رئولوژیکی سیالات غیرنیوتنی، کاربردها و محدودیتها
| نوع مدل | توضیح رفتار | مثالها | ایرادات و محدودیتها |
|---|---|---|---|
| مدل توانی | ویسکوزیته با تغییر نرخ برش به صورت توانی تغییر میکند | سس مایونز، خون، رنگ | عدم دقت در نرخ برش بسیار پایین و بسیار بالا |
| مدل بینگهام پلاستیک | تا پیش از تنش تسلیم مانند جامد، پس از آن مانند سیال نیوتنی رفتار میکند | خمیر دندان، بتن تازه، گل حفاری | عدم توانایی در توصیف رفتار غیرخطی پس از تسلیم |
| مدل هرشل-بالکلی | ترکیبی از تنش تسلیم و رفتار توانی | رنگهای صنعتی، برخی مواد غذایی | نیاز به کالیبراسیون سه پارامتر و پیچیدگی محاسباتی |
| مدل کاسون | مناسب برای سیالات با ساختار ذرهای | خون،جوهر، سوسپانسیونهای غلیظ | دقت محدود در نرخ برش بسیار بالا |
| مدل کراس | برای سیالاتی که در نرخ برش کم و زیاد به ویسکوزیته ثابت میل میکنند | پلیمرهای مذاب، محلولهای پلیمری | پیچیدگی محاسباتی و نیاز به دادههای تجربی زیاد |
نتیجه گیری:
درک تفاوت بین سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی در صنعت حیاتی است، زیرا انتخاب روش اندازهگیری، طراحی سیستمهای انتقال و حتی انتخاب تجهیزاتی مانند پمپ یا شیلنگ به طور مستقیم تحت تأثیر رفتار رئولوژیکی سیال قرار میگیرد. برای مثال، در اندازهگیری سطح یک سیال غیرنیوتنی، ویسکوزیته متغیر و وجود تنش تسلیم میتواند منجر به خطا در خوانش سطح شود. به عنوان نمونه ای پرکاربرد دیگر می توان انتخاب شلنگ برای انتقال یک سیال دیلاتانت را نام برد. انتخاب شیلنگ در این موارد نیازمند ملاحظات خاصی است، زیرا با افزایش سرعت جریان، مقاومت سیال به طور غیرمنتظرهای افزایش یافته و ممکن است به افزایش فشار یا حتی انسداد منجر شود. بنابراین، پیش از هرگونه طراحی یا انتخاب تجهیزات، شناسایی دقیق نوع سیال ضروری است تا از خطاهای عملیاتی، افزایش هزینهها یا خرابی سیستم جلوگیری شود.
خواندنی ها



