Overview
พลศาสตร์ของไหล (Fluid Dynamics)เป็นหนึ่งในสาขาของกลศาสตร์ของไหล (Fluid Mechanics)ที่อธิบายปรากฏการณ์การไหลของของเหลวและก๊าซการศึกษานี้มีการใช้งานที่หลากหลายเช่นการกำหนดอัตราการไหลของมวลของเหลว, การจำลองรูปแบบสภาพอากาศและการวัดแรงดันของผิวหนังของเครื่องบินการจำลองพลศาสตร์ของไหลด้วยระบบคอมพิวเตอร์ (Computational Fluid Dynamics. CFD) เป็นหนึ่งในกรรมวิธีของกลศาสตร์ของไหลที่ใช้เทคนิคต่างๆเช่นการวิเคราะห์เชิงตัวเลขและการประมวลผลโครงสร้างเพื่อตรวจสอบและแก้ไขปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการไหลของของไหล
ซอฟต์แวร์ต่างๆเช่นscSTREAM, ScFLOWเป็นต้นถูกใช้สำหรับวิเคราะห์และจำลองการไหลของของไหลตามตำแหน่งและเงื่อนไขที่ต้องการโดยบทความนี้จะอธิบายการไหลของทั้งสองประเภทอย่างกว้างๆ : การไหลของสถานะคงที่ (Steady State Flow) และการไหลของสถานะชั่วคราว (Transient state flow)โดยจะกล่าวถึงแง่มุมที่แตกต่างกันและสาเหตุของการไหลเหล่านี้พร้อมทั้งครอบคลุมถึงความแตกต่างและข้อดีและข้อเสียของแต่ละสถานะ.
ซอฟต์แวร์ต่างๆเช่นscSTREAM, ScFLOWเป็นต้นถูกใช้สำหรับวิเคราะห์และจำลองการไหลของของไหลตามตำแหน่งและเงื่อนไขที่ต้องการโดยบทความนี้จะอธิบายการไหลของทั้งสองประเภทอย่างกว้างๆ : การไหลของสถานะคงที่ (Steady State Flow) และการไหลของสถานะชั่วคราว (Transient state flow)โดยจะกล่าวถึงแง่มุมที่แตกต่างกันและสาเหตุของการไหลเหล่านี้พร้อมทั้งครอบคลุมถึงความแตกต่างและข้อดีและข้อเสียของแต่ละสถานะ.
กระแสคงที่ (Steady-State flow)
โดยทั่วไปสถานะการไหลคงที่หมายถึงสภาวะที่คุณสมบัติของของไหลณจุดใดจุดหนึ่งในระบบยังคงเหมือนเดิมคุณสมบัติเหล่านี้รวมถึงอุณหภูมิ, ความดันและความเร็วคุณสมบัติที่สำคัญและโดดเด่นที่สุดที่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในการไหลคงที่คืออัตราการไหลของมวลของระบบนี่แสดงให้เห็นว่าไม่มีการสะสมของมวลภายในของระบบหากระบบอยู่ในสถานะคงที่พฤติกรรมของระบบก่อนหน้านี้ของระบบจะยังคงดำเนินต่อไปในอนาคตในทางคณิตศาสตร์คุณสมบัติในระบบนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเวลาสมการด้านล่างจะช่วยให้คุณเข้าใจปรากฏการณ์นี้ได้ดียิ่งขึ้น
โดยที่ P แสดงถึงคุณสมบัติต่างๆเช่นความเร็ว, ความดัน, และความหนาแน่นเป็นต้น
ตัวอย่าง
1
ในหลายกรณีของการไหลสถานะคงที่ไม่สามารถทำได้จนกว่าจะผ่านช่วงเวลาหนึ่งหลังจากที่ระบบเริ่มต้นโดยทั่วไปสถานะเริ่มต้นมักจะอยู่ชั่วคราวหรือคุณสามารถเปรียบเทียบมันได้ว่าเป็นช่วงเวลาการเริ่มต้นลองพิจารณาการไหลของน้ำผ่านท่อที่จุดเริ่มต้นการไหลจะเป็นการไหลแบบปั่นป่วน (Turbulent Flow) แต่หลังจากเวลาผ่านไปการไหลจะคงที่หากน้ำที่ไหลเข้ามานั้นยังคงอยู่ที่ความเร็วและความดันเดียวกันในทำนองเดียวกันกระแสไฟฟ้าผ่านสายไฟจะสูงกว่ามากในตอนเริ่มต้นเมื่อเราเปิดพัดลมหรือมอเตอร์เนื่องจากความต้องการของ Torque เริ่มต้นสูงแต่จะเริ่มมีความเสถียรเมื่อพัดลมหรือมอเตอร์ถึงความเร็วที่กำหนด
2
ทีนี่เราจะมาพิจารณาระบบการไหลเวียนของน้ำเพื่ออธิบายสถานะคงที่ในแง่ของอัตราการไหลของน้ำ (Q) ความหนาแน่นของทางเข้าและทางออก (C) และการผลิตฮอร์โมน (P) ในถังเก็บน้ำสำหรับปลาที่อยู่ในถัง. น้ำที่ไหลเข้านั้นจะต้องเท่ากับน้ำที่ปล่อยออกมาที่ทางออกเพื่อทำให้ระบบสามารถรักษาอัตราการไหลความหนาแน่นและการผลิตฮอร์โมนนอกจากนี้ยังจะต้องรักษาระดับน้ำในถังและให้ออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับปลาอย่างต่อเนื่องรูปที่ 1 แสดงสถานการณ์ที่กล่าวถึงข้างต้นโดยชัดเจน:
รูปที่ 1: ระบบการไหลเวียนของน้ำ
การไหลแบบชั่วคราว (Transient State Flow)
ตามระบบการเปลี่ยนแปลงทั่วไปที่เราสามารถสังเกตได้นั้นการที่ระบบจะเข้าสู่ภาวะแบบคงที่นั้นระบบจะต้องอาศัยช่วงเวลาขณะหนึ่งเพื่อทำให้ทุกอย่างคงที่ช่วงเวลานี้เรียกว่าเฟสชั่วคราว (Transient Phase) สถานะสุดท้ายก่อนจะกลายเป็นสถานะคงที่และระบบจะอยู่ที่นั่นตลอดไปจนกว่าจะมีสิ่งเร้าเข้ามาทำการเปลี่ยนแปลงอีกครั้ง
การไหลนั้นไม่ต่อเนื่องหรือไม่เสถียรเนื่องมาจากพารามิเตอร์การไหล (เช่นความเร็วและความดัน) นั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งในระบบที่ใช้เพื่อกำหนดเขตการไหลแต่ยังคงขึ้นอยู่กับเวลาความแตกต่างระหว่างปรากฏการณ์การไหลแบบชั่วคราวนั้นมีทั้งหมดสามประเภท
การไหลนั้นไม่ต่อเนื่องหรือไม่เสถียรเนื่องมาจากพารามิเตอร์การไหล (เช่นความเร็วและความดัน) นั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งในระบบที่ใช้เพื่อกำหนดเขตการไหลแต่ยังคงขึ้นอยู่กับเวลาความแตกต่างระหว่างปรากฏการณ์การไหลแบบชั่วคราวนั้นมีทั้งหมดสามประเภท
- ปรากฎการณ์ที่ผิดปกติอย่างสุ่มเช่นความผันผวนของการไหลแบบปั่นป่วน
- ปรากฎการณ์การวิ่งขึ้นหรือการวิ่งลงเช่นหากปั๊มน้ำเริ่มทำงานหรือหยุดทำงาน
- ปรากฏการณ์เป็นระยะเช่นเช่นจังหวะที่เกิดจากแรงดันไฟกระชากในท่อ, เส้นโค้ง H / Q ที่บิดเบี้ยวของปั๊มแบบแรงเหวี่ยงหรือเอฟเฟกต์การหมุนของใบพัด
ตัวอย่าง
1
การไหลผ่านชุดใบพัดหมุน (เช่นใบพัด) มักเป็นของเหลวชั่วคราวดังที่เห็นจากระบบตำแหน่งณจุดใดจุดหนึ่งความเร็วและความดันทั้งหมดจะเปลี่ยนแปลงเป็นประจำในตำแหน่งคงที่ในขณะที่ใบพัดหมุนอย่างไรก็ตามการไหลในใบพัดและบริเวณใกล้เคียงสามารถเรียกได้ว่าคงที่ตราบใดที่มันถูกแสดงโดยใช้ระบบพิกัดที่หมุนด้วยใบพัด
2
เมื่อสวิตช์ถูกเปิดเข้าไปในวงจรไฟฟ้าที่เหมาะสมที่มีคอนเดนเซอร์หรือตัวเหนี่ยวนำอุปกรณ์อุปกรณ์จะดึงแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นหรือการเปลี่ยนกระแสไฟฟ้า (ตามลำดับ) ซึ่งช่วยให้ระบบใช้ช่วงเวลาที่สำคัญนั้นเพื่อเข้าสู่สถานะเสถียรใหม่เราอาจอธิบายภาวะชั่วครู่โดยระบุว่าสถานะชั่วคราวเกิดขึ้นในขณะที่สารหยุดนิ่งหรือเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องและมีการเคลื่อนไหวตามเวลาเมื่อ SCR (อุปกรณ์ PNPN สี่ชั้น) ถูกเปิดระบบจะเกิดภาวะ Transient phase เนื่องจากค่ากระแสและแรงดันสูงที่แกว่งไปมาข้ามจุดปกติจนกว่าจะกลับมาปกติอีกครั้ง
ความแตกต่างระหว่าง Steady-State flow และ Transient flow:
การแก้ปัญหาแบบ Transient flow สามารถทำได้โดยการวิเคราะห์แบบคงที่อย่างไรก็ตามการวิเคราะห์ไม่สามารถคาดการณ์เกี่ยวกับกระบวนการที่เกิดขึ้นเพื่อให้บรรลุเข้าสู่สภาวะที่มั่นคง Steady-state หากเรายุติการวิเคราะห์ของไหลและความร้อนก่อนที่จะถึงวิธีแก้ปัญหาคงที่ผลลัพธ์อาจจะไม่มีความหมายทางกายภาพเลย
ในทางตรงกันข้ามการวิเคราะห์ชั่วคราวสามารถจำลองสภาพของระบบอย่างแม่นยำตามที่มันแตกต่างกันไปตามเวลานั่นเป็นเหตุผลที่การวิเคราะห์ชั่วคราววัดปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงตามเวลาหากเราอนุญาตให้การวิเคราะห์ชั่วคราวทำงานเป็นเวลานานในที่สุดมันก็จะสิ้นสุดที่สภาวะมั่นคงอย่างไรก็ตามการแก้ปัญหาสถานะคงที่สามารถทำได้โดยใช้การวิเคราะห์แบบคงที่ได้เร็วกว่าการวิเคราะห์แบบชั่วคราว
พิจารณาสถานการณ์ที่แสดงในรูปที่ 2 โดยที่น้ำถูกเทลงในภาชนะที่มีเต้าเสียบอยู่ด้านหนึ่งในตอนแรกเมื่อระดับน้ำต่ำกว่าทางออกน้ำที่เทลงจะมากกว่าน้ำที่ปล่อยออกมาซึ่งแสดงถึงความปั่นป่วนหรือสภาวะชั่วคราวอย่างไรก็ตามหลังจากระยะเวลาหนึ่งเมื่อระดับน้ำถึงจุดหนึ่งแล้วน้ำราดจะเท่ากับน้ำที่ปล่อยออกมาแสดงเครื่องแบบหรือสถานะคงที่และระดับน้ำคงที่รูปที่ 2 ช่วยให้คุณเข้าใจปรากฏการณ์
ในทางตรงกันข้ามการวิเคราะห์ชั่วคราวสามารถจำลองสภาพของระบบอย่างแม่นยำตามที่มันแตกต่างกันไปตามเวลานั่นเป็นเหตุผลที่การวิเคราะห์ชั่วคราววัดปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงตามเวลาหากเราอนุญาตให้การวิเคราะห์ชั่วคราวทำงานเป็นเวลานานในที่สุดมันก็จะสิ้นสุดที่สภาวะมั่นคงอย่างไรก็ตามการแก้ปัญหาสถานะคงที่สามารถทำได้โดยใช้การวิเคราะห์แบบคงที่ได้เร็วกว่าการวิเคราะห์แบบชั่วคราว
พิจารณาสถานการณ์ที่แสดงในรูปที่ 2 โดยที่น้ำถูกเทลงในภาชนะที่มีเต้าเสียบอยู่ด้านหนึ่งในตอนแรกเมื่อระดับน้ำต่ำกว่าทางออกน้ำที่เทลงจะมากกว่าน้ำที่ปล่อยออกมาซึ่งแสดงถึงความปั่นป่วนหรือสภาวะชั่วคราวอย่างไรก็ตามหลังจากระยะเวลาหนึ่งเมื่อระดับน้ำถึงจุดหนึ่งแล้วน้ำราดจะเท่ากับน้ำที่ปล่อยออกมาแสดงเครื่องแบบหรือสถานะคงที่และระดับน้ำคงที่รูปที่ 2 ช่วยให้คุณเข้าใจปรากฏการณ์
รูปที่ 2: การเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำ
ข้อดีและข้อเสีย
ข้อดี | ข้อเสีย | ||
|---|---|---|---|
การไหลแบบคงที่ (Steady State Flow) | |||
|
| ||
|
| ||
| |||
| |||
การไหลแบบชั่วคราว (Transient State) | |||
|
| ||
|
| ||
ข้อสรุป
ในบทความนี้ภาพรวมที่สมบูรณ์ของสถานะคงที่และสถานะชั่วคราวมีตัวอย่างที่เหมาะสมความแตกต่างที่สำคัญระหว่างรัฐที่มั่นคงและชั่วคราวมีให้พร้อมกับผลประโยชน์และเช่นเดียวกับข้อเสียของแต่ละรัฐเราสามารถสรุปได้ว่าสถานะคงที่ของของเหลวนั้นถูกนิยามไว้อย่างเรียบง่ายว่าเป็นสถานะของการไหลซึ่งคุณลักษณะของของไหลเช่นความเร็วความหนาแน่นความดันฯลฯไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไปในขณะที่สถานะชั่วคราวของการไหลถูกกำหนดให้เป็นสถานะของการไหลที่คุณลักษณะของของไหลเช่นความเร็วความหนาแน่นความดันฯลฯเปลี่ยนแปลงตามเวลาในช่วงเวลา
อ้างอิงจาก
- Learn Mechanical."Types of Fluid Flow."https://learnmechanical.com/types-of-fluid-flow/ (accessed May 30, 2020).
- CFD Support."Transient or Steady State?"https://www.cfdsupport.com/OpenFOAM-Training-by-CFD-Support/node356.html (accessed May 31, 2020, 2020).
- "Transient flow."https://www.ksb.com/centrifugal-pump-lexicon/transient-flow/328110/ (accessed May 31, 2020, 2020).
- Engineers Edge."Steady State Flow Fluids."https://www.engineersedge.com/fluid_flow/steady_state_flow.htm (accessed May 31, 2020).
- "Computational Fluids Dnamics."https://en.wikipedia.org/wiki/Computational_fluid_dynamics (accessed May 30, 2020).
Credits
ธนาเพิกเฉย
CFD Engineer - Cradle Consulting Thailand
ผู้เขียนมีประสบการณ์ในการวิจัยอย่างกว้างขวาง ในด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศและที่เกี่ยวข้องกับอากาศพลศาสตร์เครื่องบินผู้เขียนจบการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาวิศวกรรมการบินและอวกาศจากมหาวิทยาลัยรังสิต (College of Engineering) กรุงเทพมหานครปัจจุบันเขากำลังศึกษาต่อในระดับปริญญาโทที่มหาวิทยาลัยเซาท์เวลส์เมืองเวลส์ประเทศสหราชอาณาจักรอังกฏษ Iนอกจากนี้เขายังได้รับการฝึกฝนและได้รับใบรับรองEASA สำนักงานความปลอดภัยการบินแห่งสหภาพยุโรป (EASA.147.0027) จากบริษัทไทคู (เซียะเหมิน) อากาศยานเอ็นจิเนียริ่งจำกัด
ผู้เขียนมีประสบการณ์ในการวิจัยอย่างกว้างขวาง ในด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศและที่เกี่ยวข้องกับอากาศพลศาสตร์เครื่องบินผู้เขียนจบการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาวิศวกรรมการบินและอวกาศจากมหาวิทยาลัยรังสิต (College of Engineering) กรุงเทพมหานครปัจจุบันเขากำลังศึกษาต่อในระดับปริญญาโทที่มหาวิทยาลัยเซาท์เวลส์เมืองเวลส์ประเทศสหราชอาณาจักรอังกฏษ Iนอกจากนี้เขายังได้รับการฝึกฝนและได้รับใบรับรองEASA สำนักงานความปลอดภัยการบินแห่งสหภาพยุโรป (EASA.147.0027) จากบริษัทไทคู (เซียะเหมิน) อากาศยานเอ็นจิเนียริ่งจำกัด