- Slides: 17
MAKİNE MÜHENDİSLİĞİNE GİRİŞ AKIŞKANLAR MEKANIĞI
AKIŞKANLAR MEKANIĞI • AKIŞKANLAR MEKANIĞI; akışkanların, durgun haldeki (akışkan statiği) ve hareket halindeki (akışkan dinamiği) davranışları ve yine akışkanların diğer akışkanlar ve katılar ile oluşturdukları sınırlardaki etkileşimleri ile ilgilenen bilim dalı olarak tanımlanır.
AKIŞKAN NEDIR? • Sıvı ve gaz halindeki maddeler akışkan olarak nitelendirilir. Katı ve sıvı arasındaki fark, maddelerin şeklini değiştirmek üzere uygulanan kayma gerilmesine (ya da teğetsel gerilmeye) karşı gösterdikleri direnç ile anlaşılır.
AKIŞKANLAR MEKANIĞININ UYGULAMA ALANLARI • Akışkanlar mekaniği gerek günlük yaşamda, gerekse süpersonik uçaklar kadar modern mühendislik sistemlerinin tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır. • Tüm yapay kalpler, solunum cihazları ve diyaliz makinaları akışkanlar dinamiği ilkeleri kullanılarak tasarlanmaktadır.
AKIŞKANLAR MEKANIĞININ UYGULAMA ALANLARI • Bir evin ve bütün bir şehrin temiz su, doğalgaz ve atık su tesisatları temel olarak akışkanlar mekaniğinin ilkelerine göre tasarlanır. • Bir otomobilde akışkanlar mekaniğinin sayısız uygulamasını görmek mümkündür. • Akışkanlar mekaniği; uçakların, gemilerin, denizaltıların, roketlerin, jet motorlarının, rüzgar türbinlerinin yanı sıra; elektronik elemanların soğutulması, su, ham petrol ve doğalgazın taşınması gibi uygulamaların tasarım ve incelenmesinde önemli bir yere sahiptir.
AKIŞLARIN SINIFLANDIRILMASI VISKOZ VE VISKOZ OLMAYAN AKIŞ BÖLGELERI • Bitişik iki akışkan tabakası farklı hızlarla hareket ettiğinde aralarında sürtünme kuvveti oluşur ve yavaş hareket eden tabaka hızlı hareket edeni yavaşlatmaya çalışır. Akışa karşı oluşan bu direnç, akışkan özelliği olan viskozite ile ölçülür ve bu özellik akışkanın iç yapışkanlılığının bir ölçüsüdür. Sürtünme etkilerinin önemli olduğu akışlar viskoz akışlar olarak adlandırılır. Bununla beraber uygulamada karşılan akışların çoğunda viskoz kuvvetlerin atalet ve basınç kuvvetlerinin yanında ihmal edilebilecek kadar küçük kaldığı bölgeler vardır. Bu gibi viskoz olmayan akış bölgelerinde viskoz terimlerin ihmal edilmesi, sonuçların doğruluğunda önemli bir kayba neden olmaksızın analizi oldukça basitleştirir.
• Viskoz etkilerin önemli olduğu levha yüzeyine yakın ince bir sınır tabaka meydana gelir ve sınır tabakanın iç kısmı viskoz akış bölgesi olarak nitelendirilir. Levhanın her iki tarafında levhanın varlığından etkilenmeyecek kadar uzaktaki akış bölgesine ise viskoz olmayan akış bölgesi adı verilir.
İÇ VE DIŞ AKIŞLAR • Akış olayı akışkanın, sınırları belli bir kanalın içinden ya da bir yüzeyin üzerinden akmasına bağlı olarak iç ve dış akış olarak sınıflandırılır. Akışkanın bir levha, tel ya da boru gibi bir yüzeyin üzerinden herhangi bir sınır olmaksızın akması dış akış olarak nitelendirilir. Eğer akışkan katı yüzeyler ile tamamen sınırlanmış bir biçimde, örneğin bir boru ya da kanal içerisinde akıyorsa bu iç akıştır.
SIKIŞTIRILABILIR VE SIKIŞTIRILAMAZ AKIŞLAR • Akış olayı akış esnasında yoğunluğun değişme düzeyine bağlı olarak sıkıştırılabilir veya sıkıştırılamaz olarak sınıflandırılabilir. Akış esnasında tüm akış alanında yoğunluk yaklaşık olarak sabit kalıyorsa akışın sıkıştırılamaz olduğu söylenir. • Sıvı akışları çoğunlukla sıkıştırılamaz olarak kabul edilir. Fakat gaz akışlarında görülen yoğunluk farkının miktarı ve akışın sıkıştırılamaz olarak modellenmesindeki yaklaştırımın doğruluğu mach sayısına bağlıdır. Gaz akışları ma<0. 3 olması halinde sıkıştırılamaz kabul edilir.
LAMINER VE TÜRBÜLANSLI AKIŞLAR • Akışkanın son derece düzenli tabakalar halinde aktığı hareket durumu laminer olarak nitelendirilir. Çoğunlukla yüksek hızlarda görülen düzensiz akışkan hareketi ise akışkan hızındaki dalgalanmalardan anlaşılır ve türbülanslı olarak nitelendirilir. Bunun yanında laminer ve türbülanslı akış arasında sürekli değişim gösteren akış geçiş akışı olarak adlandırılır. .
DOĞAL VE ZORLANMIŞ AKIŞLAR • ZORLANMIŞ AKIŞTA AKIŞKAN POMPA VEYA FAN GIBI DIŞ ETKENLER ILE BIR BORUNU IÇINDEN VEYA BIR YÜZEYIN ÜZERINDEN AKMAYA ZORLANIR. DOĞAL AKIŞTA ISE AKIŞKAN HAREKETI, SICAK (YANI AZ YOĞUN) AKIŞKANIN YÜKSELMESI VE SOĞUK (YANI DAHA YOĞUN) AKIŞKANIN ALÇALMASI ILE KENDILIĞINDEN OLUŞAN KALDIRMA ETKISI GIBI DOĞAL ETKENLER ILE GERÇEKLEŞIR. DAIMI VE DAIMI OLMAYAN AKIŞLAR • DAIMI AKIŞ SIRASINDA SISTEM IÇERISINDEKI AKIŞKAN ÖZELLIKLERI BIR NOKTADAN BAŞKA BIR NOKTAYA DEĞIŞIM GÖSTEREBILIR FAKAT BELIRLI BIR SABIT NOKTADA BU ÖZELLIKLER DAIMA SABIT KALIR. BU YÜZDEN BIR SISTEMIN YA DA AKIŞ BÖLÜMÜNÜN DAIMI ÇALIŞMA ŞARTLARINDA HACMI, KÜTLESI VE TOPLAM ENERJISI DAIMA SABITTIR. BIR, İKI VE ÜÇ BOYUTLU AKIŞLAR • EĞER AKIŞ HIZI, TEMEL BOYUTLARDAN SADECE BIRINE, HER IKISINE YA DA HER ÜÇÜNE GÖRE DEĞIŞIYORSA, AKIŞIN SIRASIYLA BIR, IKI VEYA ÜÇ
AKIŞKANLARIN ÖZELLIKLERI YOĞUNLUK VE BAĞIL YOĞUNLUK • Yoğunluk (özgül kütle) birim hacmin kütlesi olarak tanımlanır. • Yoğunluğun tersine özgül hacim (v) denir. • Bir maddenin yoğunluğunun belirli bir sıcaklıktaki standart bir maddenin yoğunluğuna oranına bağıl yoğunluk denir. Bağıl yoğunluk boyutsuzdur. Standart madde genellikle 4°C’deki yoğunluğu ρh 2 o=1000 kg/m 3 olan sudur. • Bir maddenin birim hacminin ağırlığına özgül ağırlık denir.
İDEAL GAZLARIN YOĞUNLUĞU • İDEAL GAZ BAĞINTISI: • P: mutlak basınç • v: özgül hacim • T: termodinamik sıcaklık • R: gaz sabiti • Ru: Evrensel gaz sabiti (8. 314 k. J/kmol. K) • M: Mol kütlesi • SI birim sisteminde termodinamik sıcaklık ölçeği Kelvin ölçeğidir.
BASINÇ • Basınç, bir akışkan tarafından birim alana uygulanan normal kuvvet olarak tanımlanır. • Belirli bir konumda mevcut olan basınca mutlak basınç adı verilir ve mutlak vakuma (mutlak sıfır basınca) göre ölçülür. • Mutlak basınç ile yerel atmosfer basıcı arasındaki farka etkin basınç denir ve negatif veya pozitif olabilir. Bununla birlikte atmosfer basıncının altındaki basınçlara bazen vakum basıncı da denir ve bu basınç, atmosfer basıncı ile mutlak basınç arasındaki farkı gösteren vakum ölçme cihazlarıyla ölçülür.