آکادمی, مکانیک سیالات
سیال نیوتنی و غیرنیوتنی – طبقه بندی سیالات غیرنیوتنی – کاربرد سیالات غیر نیوتنی
در این مقاله می خواهیم به طبقه بندی سیال نیوتنی و غیرنیوتنی با استفاده از مفهوم ویسکوزیته و لزجت بپردازیم. می‌دانیم که ویسکوزیته سیالات مختلف، به نوع سیال بستگی زیادی دارد. با توجه به تعریف ویسکوزیته (Viscosity) لزجت را مقاومت سیال نسبت به جاری شدن می نامند. ابتدا به صورت دقیق به بیان تعریف سیال نیوتنی و سیال غیرنیوتنی می پردازیم. در ادامه تعریف جامعی از سیالات غیرنیوتنی را ارائه میکنیم و در انتها انواع مختلف سیال غیر نیوتنی و ویژگی های آنها را با ذکر مثال مورد بررسی قرار می دهیم.
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.
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
در ویدئو زیر می توانید توضیحات جامع جناب دکتر رحیمی سروئی پیرامون طبقه بندی سیالات غیر نیوتنی و تفاوت سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی را مشاهده کنید.
همچنین می توانید جزوه مکانیک سیالات استاد را ، که به جرات می توان گفت کامل ترین و جامع ترین جزوه مکانیک سیالات می باشد و شما را از خواندن هر منبع آموزشی دیگری بی نیاز می کند ، دریافت کنید .
سیال نیوتنی
اگر به دو سیال آب و هوا که همه ما به صورت روزمره با آنها سروکار داریم، بپردازیم ، در خواهیم یافت که غلظت آب نسبت به هوا بیشتر است و به راحتی جاری می شود و در هر ظرفی به شکل همان ظرف در می آید. این سیالات را به افتخار فیزیکدان معروف اسحاق نیوتن به عنوان سیالات نیوتنی (Newtonian Fluids) می نامند.
ویسکوزیته دو سیال آب و هوا در صورتی که دما و فشار این نوع از سیالات تغییر نکند، ثابت می ماند. از همین رو به آنها سیال نیوتنی گفته می‌شود. در سیال نیوتنی ویسکوزیته تنها به دما و فشار بستگی دارد و به نیرویی که به آن اعمال می‌شود وابسته نیست.
در تعریف سیال نیوتنی باید به این نکته توجه شود که رابطه میان تنش و نرخ کرنش به صورت خطی است. بنابراین رابطه میان تنش و کرنش برای یک سیال نیوتنی را می توان به صورت زیر نمایش داد. همچنین توجه شود که در رابطه زیر نرخ کرنش برشی با گرادیان سرعت نشان داده شده است.
سیال غیرنیوتنی
سیالاتی را که در آنها رابطه بین تنش برشی و گرادیان سرعت غیر خطی است و از قانون لزجت نیوتنی پیروی نمی‌کنند، سیالات غیر نیوتنی می‌نامند. همچنین ویسکوزیته سیال غیر نیوتنی با اعمال نیرو به آن تغییر می کند. به طور کلی سیالات غیر نیوتنی به دو دسته تقسیم می شوند:
1-سیالات غیرنیوتنی مستقل از زمان
2- 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 خواهیم پرداخت.
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 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.
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.
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.
با تشکر از توضیحات بسیار خوبتان. لطفا در مورد سیال(MR(magneto-Reological و مدلهای رفتاری میراگرهای MRنیز مطلب بزارین.و همچنین برای یک سیال mr منظور از تنش تسلیم چیست؟
خواهش میکنم – سیالات MR معمولا به حالت روغنی استفاده میشوند و ویژگی اصلی انها امکان تغییر ویسکوزیته با کمک جریان های مغناطیسی است. کاربردهای زیادی در مکانیک به عنوان دمپر دارند و حتی برای خنثی سازی اثرات زلزله و بعضی صنایع نظامی هم قابل استفاده هستند. اکثر منابع مطالعاتی در مورد این نوع سیال به زبان انگلیسی است. انشاا… به محض دریافت یک مقاله کامل و جامع درباره magnetorheological fluid (MR fluid, or MRF) به فارسی ترجمه و در سایت منتشر میکنیم.
تشکر از توجه و پیشنهاد شما
لطفا فرمول سیال غیر نیتونی هم بنویسین
سیال دیلاتنت
سلام. لینک دانلود به ایمیل من ارسال شده ولی وقتی روی لینک کلیک میکنم چیزی دانلود نمیشه لطفا راهنمایی کنید چطور این مشکل رو حل کنم؟
سلام و عرض ادب
لینک ها تست شدند و مشکلی نداشتند. شاید مشکل لحظه ای بوده است. لطفا دوباره چک کنید.
بسیار آموزنده، ساده و در عین حال مفید بود. از توضیحات شما لذت بردم.
سپاس از لطف تون
سلام نفت خام سیال نیوتنیه یا غیر نیوتونی ممنون میشم جواب بدین
سلام خواص نفت خام به دما بستگی زیادی دارد. در دماهای پایین تر بله غیر نیوتنی هست.
لطفا مقاله زیر رو مطالعه کنید.
https://link.springer.com/article/10.1007/s13202-012-0043-9#:~:text=Conclusions-,1
لطفا فورمل های سیال نیوتنی را هم بنوسید
خیلی ساده و عالی توضیح دادین ممنونم 🙏🏻
خواهش میکنم. موفق باشید