دینامیک سیالات

مکانیک شاره‌ها :مکانیک شاره‌ها یا مکانیک سیالات یکی از شاخه های مکانیک محیط‌های پیوسته است. مکانیک سیالات هم با همان اصول مربوط به مکانیک جامدات آغاز می‌شود، ولی آن‌چه که سر انجام آن دو را از هم متمایز می‌سازد، این است که سیالات بر خلاف جامدات قادر به تحمل تنش برشی نیستند. با دانستن این مسئله می‌توان معادله‌هایی را برای تحلیل حرکت این مواد طرح‌ریزی کرد. به جز چند اصل اساسی مکانیک سیالات، بقیهٔ اصل‌های آن به صورت تجربی استخراج و استفاده می‌شود.
دینامیک سیّالات :
دینامیک سیّالات نام یکی از شاخه‌های بسیار پرکاربرد و وسیع مکانیک سیّالات است. موضوع مورد مطالعه در این زمینه از علوم چگونگی رفتار مایعات و گازها به هنگام حرکت تحت اثر عوامل گوناگون می‌باشد.
مهم‌ترین کاربردهای دینامیک سیّالات در مهندسی شیمی، هواشناسی، مهندسی عمران، مهندسی پزشکی، مهندسی هوا‌و‌فضا، نجوم و ستاره‌شناسی، علوم دریایی، صنایع خودرو سازی، کشتی سازی، و موارد متعدد علمی و کاربردی دیگر است.
مطالعهٔ رفتار سیّالات (در حرکت و در سکون) را باید از مهم‌ترین بخش‌های مکانیک قدیم (مکانیک کلاسیک)، فیزیک، ریاضیات کاربردی، و علوم و فنون مهندسی به حساب آورد. درس دانشگاهی مکانیک سیالات جز دروس پایه کارشناسی مکانیک نیز هست. همچنین شاخه دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به بررسی عددی دینامیک سیالات می‌پردازد.
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) :
دینامیک محاسباتی سیّالات یا سی‌اِف‌دی ((Computational fluid dynamics (CFD) یکی از بزرگ‌ترین زمینه‌هایی‌ست که مکانیک قدیم (مکانیک کلاسیک (classical mechanics)) را به علوم رایانه و توانمندی‌های نوین محاسباتی آن در نیمهٔ دوّم قرن بیستم و در سدهٔ جدید میلادی وصل می‌کند. سرگذشت پیدایش و گسترش دینامیک محاسباتی سیّالات را نمی‌توان جدای از تاریخ اختراع، رواج، و تکامل کامپیوتر‌های دیجیتال نقل کرد. تا حدود انتهای جنگ جهانی دوٌم، بیشتر شیوه‌های مربوط به حلّ مسائل دینامیک سیّالات از طبیعتی تحلیلی یا تجربی برخوردار بود. همچون تمامی نوآوری‌های برجستهٔ علمی، در این مورد هم اشاره به زمان دقیق آغاز دینامیک محاسباتی سیّالات نا میسّرست. در اغلب موارد، نخستین کار بااهمّیّت در این رشته را به ریچاردسون نسبت می‌دهند، که در سال ۱۹۱۰ (میلادی) محاسبات مربوط به نحوهٔ پخش تنش (stress distribution) در یک سد ساخته‌شده از مصالح بنّایی را به انجام رسانید. ریچاردسون در این کار از روشی تازه موسوم به رهاسازی (relaxation) برای حلّ معادلهٔ لاپلاس استفاده نمود. او در این شیوهٔ حلّ عددی، داده‌های فراهم‌آمده از مرحلهٔ پیشین تکرار (iteration) را برای تازه‌سازی تمامی مقادیر مجهول در گام جدید بکار می‌گرفت.
از آنجا که دینامیک سیّالات پدیده‌های پیچیده‌ای همچون جریانهای آشفته، امواج شوک در سرعت‌های مافوق صوت، و سامانه‌های بی نظم (آشوبناک) را شامل می‌شود، بخش عمده‌ای از پیشرفتهای علمی در ریاضیّات کاربردی، و در فیزیک به خاطر تلاش در حل اینگونه مسایل حاصل شده‌است.
(نظریه بی نظمی یا آشوب، به شاخه‌ای از ریاضیات و فیزیک گفته می‌شود که مرتبط با سیستمهایی است که دینامیک آنها در برابر تغییر مقادیر اولیه، رفتار بسیار حساسی نشان می دهد؛ به طوری که رفتار‌های آینده آنها دیگر قابل پیش‌بینی نمی‌باشد. به این سیستم‌ها، سیستم‌های آشوبی (بی نظم) گفته می‌شود که از نوع سیستمهای غیرخطی دینامیک هستند و بهترین مثال برای آنها اثر پروانه‌ای، جریانات هوایی و دوره اقتصادی می‌باشد. این نظریه، گسترش خود را بیشتر مدیون کارهای هانری پوانکاره، ادوارد لورنتس، بنوا مندلبروت و مایکل فایگن‌باوم می‌باشد. پوانکاره اولین کسی بود که اثبات کرد، مساله سه جرم (به عنوان مثال، خورشید، زمین، ماه) مساله‌ای آشوبی و غیر قابل حل است. شاخه دیگر از نظریه آشوب که در مکانیک کوانتومی به کار می‌رود، آشوب کوانتومی نام دارد. گفته می‌شود که پیر لاپلاس یا عمر خیام قبل از پوانکاره، به این مشکل و پدیده پی برده بودند.)

تصویر شبیه سازی رفتار یک جریان گازی کنترل شده

منابعی برای مطالعه‌ی بیشتر :

Dobodeich, I.A., Barmetov, Yu.P., Solutions of the Equations of Motion of a Nonviscous Compressible Fluid in a Pipe, Differential Equations, 2006, Vol. 42, No. 5, pp. 752–756. Pleiades Publishing, Inc., 2006.

Original Russian Text "I.A. Dobodeich, Yu.P. Barmetov, 2006, published in Differentsial’nye Uravneniya, 2006, Vol. 42, No. 5, pp. 703–706".

Pletcher, Richard et al, Computational Fluid Mechanics And Heat Transfer, Taylor and Francis, 1997, ISBN: 9781560320463.

Ott, Edward (2002). Chaos in Dynamical Systems. Cambridge University Press New, York. ISBN 0521010845.
Moon, Francis (1990). Chaotic and Fractal Dynamics. Springer-Verlag New York, LLC. ISBN 0471545716.

, Abbott, Reilly (1992). An experimental approach to nonlinear dynamics and chaos. Addison-Wesley New York. ISBN 0201554410.

روش هاي شکل دهي انفجاري :
روش هاي شکل دهي انفجاري بنا بر موقعيت گيري بار انفجاري نسبت به قطعه کار، به دو گروه تقسيم مي شوند.

روش stand off :
در اين روش بار انفجاري در فاصله اي از پيش تعيين شده نسبت به قطعه کار قرار مي گيرد و انرژي از ميان يک محيط واسطه مانند هوا، روغن، يا آب، انتقال داده مي شود. بسته به پارامترهاي پروسه پيک فشار در قطعه کار، از چند هزار psi تا چند صد هزار    psi تغيير مي کند.

روش تماسي (contact method) :
در اين روش، در حالي که انفجار رخ مي دهد، بار انفجاري در تماس مستقيم با قطعه کار نگه داشته مي شود. انفجار باعث به وجود آمدن فشار روي سطح فلز تا چند ميليون psi مي شود. (35000 Mpa)

کارکرد :
سيستم مورد استفاده براي روش stand off شامل بخش هاي زير است:
1) يک بار انفجاري
2) محيط واسطه براي انتقال انرژي
3) تجهبرات ماتريس
4) قطعه کار

تجهيزات ماتريس در کف تانک در کنار هم گذاشته شده اند. قطعه کار روي ماتريس قرار دارد. يک محيط خلا در حفره ماتريس ايجاد شده است. بار انفجاري در موقعيتي بالاي مرکز قطعه کار قرار مي گيرد. بار انفجاري روي بلانک، در فاصله اي مشخص به صورت معلق قرار مي گيرد. تجهيزات به طور کامل در يک تانک آب قرار دارد.

بعد از انفجار ماده انفجاري، يک پالس فشار با شدت بالا به وجود مي آيد. يک حباب گاز نيز ايجاد مي شود که به صورت کروي انبساط مي يابد و پس از اينکه به سطح آب مي رسد، از بين مي رود. هنگامي که پالس فشار به قطعه کار برخورد مي کند، فلز به درون حفره مي رود.

مواد انفجاري :
اينها موادي هستند که واکنش سريع شيميايي را که در طي آن گرما و تعداد زيادي از محصولات گازي گسترش مي يابند، تحمل مي کنند. مواد انفجاري مي توانند در حالت جامد (TNT – three nitro toluene) ، مايع (نيتروگليسيرين)، يا گاز (اکسيژن و مخلوط هاي استيلن). مواد انفجاري به دو دسته تقسيم مي شوند: low explosive ها که در آنها سوختن ماده انفجاري نسبت به انفجار سريع تر رخ مي دهد و از اين رو فشار زيادي به وجود نمي آيد، و high explosive ها که داراي نرخ بالايي از واکنش با فشار بالا دارند. از low explosive ها به عنوان عوامل جلوبرنده و راننده در تفنگ ها، و راکت ها براي جلوبري موشک ها استفاده مي شود.

مزاياي شکل دهي انفجاري :

• تلرانس هاي دقيق را حفظ مي کند.
• باعث حذف جوش هاي پر هزينه مي شود.
• يکنواختي کانتورها را حفظ مي کند.
• هزينه هاي ابزار سازي را کاهش مي دهد.
• گزينه اي کم هزينه تر نسبت به شکل دهي سوپر پلاستيک مي باشد.

مواد قالب :
از مواد متفاوتي براي ساخت قالب کارهاي انفجاري استفاده مي شود. مثلا فولادهاي ابزار استحکام بالا، پلاستيک ها، و بتن. از قالب هاي با استحکام نسبتا پايين براي قطعاتي که در آنها تلرانس هاي دقيق خيلي مهم نيستند استفاده مي شود. قالب هاي پلاستيکي براي پروسه هاي سبک به کار گرفته مي شوند و فولاد هاي ابزار و آهن چکش خوار نيز براي کاربرد هاي متوسط مورد استفاده قرار مي گيرند.

ويژگي ها :
• ورق هاي بسيار بزرگ با شکل هاي پيچيده، اگرچه معمولا اشکال متقارن محوري (axisymmetric) ساخته مي شوند.
• هزينه هاي قالب سازي پايين، اما هزينه نيروي کاري بيشتر.
• مناسب براي قطعات با تعداد کم.
• عمرکاري زياد.

ماده واسطه براي انتقال :
انرژي آزاد شده با ماده انفجاري از ميان ماده اي مانند هوا، آب، ژلاتين، يا نمک هاي مايع عبور مي کند. از آن جايي که آب به آساني در دسترس و کم هزينه است و نتايج بسيار خوبي را به بار مي آورد، يکي از بهترين واسطه ها براي شکل دهي انفجاري است. ماده واسطه از لحاظ مقدار فشار وارد بر قطعه کار بسيار با اهميت است. در اين مورد به خاطر وارد کردن پيک هاي فشار بسيار بالا به قطعه کار، آب از هوا مطلوب تر است.

جنبه هاي شکل پذيري :
شکل پذيري، به عنوان توانايي يک ورق فلزي براي تغيير شکل يافتن با يک پروسه فلز کاري، از شکل اصلي خود به شکل تعريف شده، بدون شکست است. در پروسه هاي شکل دهي انفجاري معمولي، ويژگي هاي اصلي قطعه کار که شکل پذيري آن را مشخص مي کنند، چکش خواري و تافنس آن هستند. معمولا نبايد از حد کشيدگي که در آزمايش کشش معين مي شود گذر کرد.

هنگامی که خودرو در حرکت است و سیستم ترمز عمل خود را برای متوقف کردن آن شروع  می کند، نیرو وزن خودرو از روی چرخ های عقب کاسته میشود و بر روی چرخ های جلو متمرکز میشود. بنابراین بایستی نیروی ترمز در چرخ های جلو بیشتر از چرخ های عقب باشد و به همین علت سیستم عمل کننده ترمز در چرخ های جلو قویتر از چرخ های عقب طراحی می شود.ایجاد تناسب لازم در تقسیم نیروهای ترمز بین چرخ های  عقب و جلو به نحوی که هیچکدام از آنها قفل نشود از وظایف طراحان سیستم ترمز خودرو می باشد. به همین دلیل بیشتر خودروهای جدید برروی دو چرخ جلوی خود دیسک ترمز دارند و در بعضی از خودروهای هر چهار چرخ مجهز به دیسک ترمز هستند دیسک ترمز بهترین نوع سیستم  ترمز شناخته شده تابحال است. دیسکهای ترمز در بسیاری از موارد در توقف لوکوموتیو تا هواپیماهای جت به کار می روند. دیسکهای ترمز دیرتر فرسوده می شود ، کمتر تحت تاثیر آب قرار می گیرد ، خود تنظیم و خود پاک کن است.  گریپاژ کمتر و توقف بهتر وسیله نقلیه نسبت به سیستم های ترمز دیگر از خاصیت دیسک های ترمز اسمت.

(توجه: در صورت نیاز به  یافتن معنی لغات بکار رفته در تصاویر به لغتنامه در پایان این مقاله مراجعه کنید)

 در بالا و پايين   شکل شماتیک دیسک ترمز به طور کامل نشان داده شده است.

- در واقع دیسک ترمز قسمتی از سیستم ترمز است که کار اصلی توقف خودرو را انجام می دهد.

(درشکل زیر یک دیسک ترمز واقعی نمایش داده شده است)

- سیلندر ترمز دیسکی

دو نوع اصلی سیلندر ترمز دیسکی وجود دارد : سیلندر ترمز دیسکی معلق و سیلندر ترمز دیسکی ثابت.البته انواع دیگری نیز وجود دارد اما این دو نوع ذکر شده رایج تر هستند.

توجه: سیلندر ترمز دیسکی در صورت مشاهده نشت روغن ترمز باید تعویض شود.

- سیلندر ترمز دیسکی معلق تک- پیستون

رایج ترین نوع دیسک ترمز در خودروها جدید سیلندر ترمز دیسکی شناور تک-پیستونی      (single-piston floating Caliper) است. معلق بودن این سیلندر به آن خاصیت خود تنظیمی و خود مرکزی می دهد. اين نوع ديسك ترمز امروزه به علت قيمت تمام شده ارزان تر و كارايي مطمئن به طور وسيع مورد استفاده قرار گرفته است.

سیلندر ترمز دیسکی ثابت دو - پیستون

سیلندر ترمز دیسکی دو- پیستون نیز در بعضی از خوروهای گران قیمت تر  نصب می شود که سیستم ترمز آن خودرو را از ضریب اطمینان بالاتری برخوردار می سازد.

سیلندر ترمز دیسکی ثابت چهار - پیستون

در این نوع سیستم در هر طرف روتور دو سیلندر ترمز قرار دارد. سیلندر ترمز دیسکی ثابت  چهار- پیستون از ضریب اطمینان بسیار بالاتری نسبت به دو نوع قبل برخودار می باشد اما به همان نسبت نیز گرانتر و هزینه سرویس کردن  آنها نیز بسیار بیشتر از سیستم تک – پیستون است. این نوع سیستم ترمز در خودروهای بسیار گران قیمت و خودروهای پرقدرت نصب می شود.

اما امروزه  در تولید انبوه خودروهای ارزان قیمت ،   کارخانه های خودروسازی به علت ارزان بودن و ضریب اطمینان  مناسب نوع تک – پیستون،  طراحی های  انواع دو و چهار  پیستونی از رده خارج   شده اند.

- در این مقاله ما به بررسی سیلندرترمز  دیسکی معلق  تک - پیستون  می پردازیم.

(در شکل بالا  یک نمونه سیلندر ترمز دیسکی معلق تک-پیستون را مشاهده می کنید.)

(در شکل بالا سیلندر ترمز دیسکی - روتور  - لنت ترمز و جهت حرکت پیستون و سیلندر نشان داده شده است.)

-اصول ابتدایی دیسک ترمز

(در شکل بالا محل قرار گرفتن دیسک ترمز در سیستم ترمز خودرو نشان داده شده است.)

اجزای اصلی دیسکي ترمز

- لنتها(لقمه) ترمز

- سیلندر ترمز دیسکي که شامل یک پیستون است.

- چرخنده یا روتور که بر روی توپی چرخ سوار میشود.

- لنتهای ترمز

در هر سیلندر ترمز دیسکی دو لنت ترمز وجود دارد که لنتها به  کفشک فلزی  پرچ شده اند.لنتها بر روی ترمز دیسکی و در دو طرف روتور قرار دارند. سابقا به علت ویژگی جذب گرما و عملکرد بی صدا آزبست،  لنتهای ترمز از آزبست ساخته می شدند اما به علت سمی بودن آزبست و صدمه زدن به سلامتی استفاده از آزبست ممنوع شد و ازعناصر جدید برای ساخت لنت ترمز استفاده میشود.

لنتهای ترمز در مدت زمان ها معین فرسوده شده و نیاز به تعویض دارند. انواع گوناگونی از  لنتهای ترمز با کیفیتهای متفاوت  وجود دارد. که این تفاوت عمدتا مربوط به طول عمر مفید لنت ترمز می شود. لنتهای ترمز سخت تر عمر بیشتر و توانایی توقف بهتر خودرو را دارند و در عوض ممکن است صدای ناراحت کننده ای در هنگام عملکرد  خود داشته باشند.

(در شکل بالا لنتهای ترمز نشان داده شده اند)

دیسک ترمز شباهت زیادی به ترمز دوچرخه دارد.ترمزهای دوچرخه داراری یک سیلندر ترمز دیسکی هستند که لقمه (لنتهای) ترمز را به لاستیک می فشارد.

در دیسک ترمز لنتها به روتور(چرخنده) فشرده می شوند و نیرو به جای اینکه از طریق کابل منتقل شود به صورت هیدرولیکی منتقل می شود.

اصطکاک بین لنتها و دیسک سرعت چرخش دیسک را کاهش می دهد. یک خودروی متحرک میزان انرژی جنبشی قابل توجه ای دارد و وظیفه ی ترمز کاهش این انرژی جنبشیو متوقف کردن آن است.

- چگونه ترمزها این کار را انجام می دهند؟

هر وقت شما خودروی خود را متوقف می کنید.ترمزهای خودرو انرژی جنبشی را به گرما تبدیل می کنند.که این گرما در اثر اصطکاک بین لنت و دیسک ترمز ایجاد شده است.

وقتی شما پدال ترمز را فشار می دهید روغن ترمز از سيلندر اصلي از طريق اتصالات به سيلندر واقع بر روي ديسك ترمز وارد شده  موجب حرکت  سیلندر ترمز دیسکی در یک جهت و حرکت پیستون در جهت مخالف می شود. که حركت  پیستون لنت ترمز داخلی سمت خود را به روتور(چرخنده  می فشارد و از  سوي دیگر با حرکت سیلندر در جهت مخالف  لنت ترمز كه در سوي ديگر روتور قرار دارد  به روتور فشرده  میشود. همين امر باعث ايجاد اصطكاك و توليد گرما و همچنين كاهش سرعت خودرو مي شود.از طرف ديگر ديسك ترمز و اجزاي آن مي بايست خنك شوند.تا در ترمز هاي بعدي به خوبي عمل كنند

بیشتر دیسکهای ترمز به وسیله ی منافذ هوا خنک می شوند.دیسکهای ترمز خنک شونده با هوا دارای یکسری منفذ (پره) در بین سطح یک دیسک ترمز هستند که هوا از داخل آنها پمپ می شود و باعث خنک شدن دیسک ترمز می شود. 

- خود تنظیمی ترمزها 

دیسک ترمز [سیلندر ترمز دیسکی معلق تک-پیستون] خود تنظیم و خود مرکز است. سیلند ترمز دیسکی توانایی لغزیدن از یک سمت به سمت دیگر ار دارد. بنابراین همیشه زمانی که ترمزها [گرفته میشوند] عمل می کنند.به سمت مرکز بر میگردد.از آنجاییکه فنری برای جدا کردن و بازگرداندن لنتهای ترمز به حالت اولیه خود وجود ندارد.همیشه لنتها در فاصله بسیار کمی از روتور (چرخنده) باقی می مانند. (لغزش روتور و ضربه زدن به لنتها در واقع باعث می شود که لنتها کمی از روتور فاصله بگیرند.)

 - ترمزهای اضطراری

در خودرهای مجهز به دیسک ترمز بر روی چهار چرخ ، یک ترمز اضطراری با یک مکانیزم عملکرد متفاوت باید فعال باشد تا در صورت عدم عملکرد صحیح ترمزهای اصلی وارد عمل شوند . اکثر خودروها  از کابل برای ترمز اضطراری استفاده می کنند.

( در شکل کابل ترمز اضطراری-  لوله ترمز اضطراری - لوله روغن ترمز نشان داده شده است)

بعضی از خودروها که بر روی  چهار چرخ خود دیسک ترمز دارند دارای یک ترمز کاسه ای مجزا در توپی  ترمزهای عقب دارند.

این ترمز کاسه ای فقط  برای ترمز اضطراری می باشد و فقط توسط کابل کار می کنند نه سیستم هیدرولیکی.

خودروی های دیگر دارای یک اهرم (ترمز دستی) هستند که یک پیچ را می چرخاند یا یک بادامک را فعال می کند.که باعث فشرده سازی پیستون دیسک ترمز می شود.

- رسیدگی کردن به ترمزها

معمولترین سرویس لازم برای ترمزها تعویض لنت ترمز می باشد. لنتهای ترمز معمولا دارای یک قطعه فلزی به نام سایش نما (نمایش دهنده میزان سایش و فرسودگی) هستند .

(در شکل بالا یک سایش نما نشان داده شده که به لنت ترمزها پرچ می شود.)

وقتی لنتها به اندازه کافی فرسوده شوند، در زمان گرفته شدن ترمز سایش نما با دیسک ترمز باعث تماس این قطعه با دیسک ترمز شده و صدای غیژغیژ به گوش می رسد که از تماس قطعات فلزی حاصل می شود.

در ضمن یک دریچه بازدید در سیلندر ترمز دیسکی وجود دارد که از طریق آن می توانید میزان فرسودگی لنتهای ترمز را مشاهده کنید.

بعضی اوقات خراشهای عمیقی بر روی روتور (چرخنده) ایجاد می شود.این امر زمانی اتفاق می افتد  که لتتهای ترمز فرسوده شده باشند و برای مدت طولانی تعویض نشده باشند. روتورهای ترمز همچنین ممکن است دچار پیچش (تاب برداشتن ) شوند که به معنی از دست دادن سطح صیقلی روتورهاست . وقتی چنین اتفاقی می افتد ممکن است در هنگام متوقف کردن وسیله نقلیه دچار لرزش یا ارتعاش  شود.که این مساله را می توان در بعضی ازمواقع به وسیله تراشکاری (پرداخت – ماشینکاری) روتور برطرف کرد. با این کار یک لایه از سطح روتور برداشته می شود تا سطح آن صاف و صیقلی شود.

نیاز به تراشکاری در هر مورد تعویض کفشک ترمز ها لازم نیست.فقط مواقعی که کفشک ترمزها دچار پیچش یا خراش شدید شده باشند از این گزینه استفاده می شود.در واقع استفاده بیش از حد از معمول از ماشینکاری برای صاف کردن سطح روتورها باعث کاهش عمر روتورها میشود زیرا هر زمان که از این روش استفاده می  شود باعث کاهش ضخامت روتورها میشود. تمام روتورهای ترمز دارای حداقل حد مجاز ضخامت مخصوص به خود هستند قبل از اینکه نیاز به تعویض آنها باشد.این مقدار حد مجاز ضخامت در دفترچه مشخصات فنی خودرو که در زمان فروش خودرو ارایه می شود وجود دارد.

لغتنامه

این لغتنامه در جهت آشنایی خواننده با اصطلاحات و لغات به کار رفته در شکلها و گسترش دایره لغت آنها ارایه می شود.

منابع:

۱)howstuffswork.com

۲)familycar.com

۳)اتومبیل پراید نوشته : مهندس سید امر حسین عمادی، ناشر: طاهریان،  چاپ اول 1384 صفحه 197 و 198

http://uploadkon.ir/uploads/11cd85031847c055a65f7570789b1a8d.zip