Overview
พลศาสตร์ของไหล (Fluid Dynamics)เป็นหนึ่งในสาขาของกลศาสตร์ของไหล (Fluid Mechanics)ที่อธิบายปรากฏการณ์การไหลของของเหลวและก๊าซ การศึกษานี้มีการใช้งานที่หลากหลาย เช่นการกำหนดอัตราการไหลของมวลของเหลว, การจำลองรูปแบบสภาพอากาศและการวัดแรงดันของผิวหนังของเครื่องบิน การจำลองพลศาสตร์ของไหลด้วยระบบคอมพิวเตอร์ (Computational Fluid Dynamics. CFD) เป็น หนึ่งในกรรมวิธีของกลศาสตร์ของไหลที่ใช้เทคนิคต่าง ๆ เช่นการวิเคราะห์เชิงตัวเลข และการประมวลผลโครงสร้าง เพื่อตรวจสอบและแก้ไขปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการไหลของของไหล
ซอฟต์แวร์ต่าง ๆ เช่น scSTREAM, ScFLOW เป็นต้น ถูกใช้สำหรับวิเคราะห์และจำลองการไหลของของไหลตามตำแหน่ง และเงื่อนไขที่ต้องการ โดยบทความนี้จะอธิบายการไหลของทั้งสองประเภทอย่างกว้าง ๆ : การไหลของสถานะคงที่ (Steady State Flow) และการไหลของสถานะชั่วคราว (Transient state flow)โดยจะกล่าวถึงแง่มุมที่แตกต่างกันและสาเหตุของการไหลเหล่านี้ พร้อมทั้งครอบคลุมถึงความแตกต่างและข้อดีและข้อเสียของแต่ละสถานะ.
ซอฟต์แวร์ต่าง ๆ เช่น scSTREAM, ScFLOW เป็นต้น ถูกใช้สำหรับวิเคราะห์และจำลองการไหลของของไหลตามตำแหน่ง และเงื่อนไขที่ต้องการ โดยบทความนี้จะอธิบายการไหลของทั้งสองประเภทอย่างกว้าง ๆ : การไหลของสถานะคงที่ (Steady State Flow) และการไหลของสถานะชั่วคราว (Transient state flow)โดยจะกล่าวถึงแง่มุมที่แตกต่างกันและสาเหตุของการไหลเหล่านี้ พร้อมทั้งครอบคลุมถึงความแตกต่างและข้อดีและข้อเสียของแต่ละสถานะ.
กระแสคงที่ (Steady-State flow)
โดยทั่วไปสถานะการไหลคงที่ หมายถึงสภาวะที่คุณสมบัติของของไหล ณ จุดใดจุดหนึ่งในระบบยังคงเหมือนเดิม คุณสมบัติเหล่านี้รวมถึงอุณหภูมิ, ความดันและความเร็ว คุณสมบัติที่สำคัญและโดดเด่นที่สุดที่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในการไหลคงที่คืออัตราการไหลของมวลของระบบ นี่แสดงให้เห็นว่าไม่มีการสะสมของมวลภายใน ของระบบ หากระบบอยู่ในสถานะคงที่ พฤติกรรมของระบบก่อนหน้านี้ของระบบจะยังคงดำเนินต่อไปในอนาคต ในทางคณิตศาสตร์คุณสมบัติในระบบนี้ ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเวลา สมการด้านล่างจะช่วยให้คุณเข้าใจปรากฏการณ์นี้ได้ดียิ่งขึ้น
โดยที่ P แสดงถึงคุณสมบัติต่าง ๆ เช่นความเร็ว, ความดัน, และความหนาแน่นเป็นต้น
ตัวอย่าง
1
ในหลายกรณีของการไหลสถานะคงที่ไม่สามารถทำได้ จนกว่าจะผ่านช่วงเวลาหนึ่งหลังจากที่ระบบเริ่มต้น โดยทั่วไปสถานะเริ่มต้นมักจะอยู่ชั่วคราว หรือคุณสามารถเปรียบเทียบมันได้ว่าเป็นช่วงเวลาการเริ่มต้น ลองพิจารณาการไหลของน้ำผ่านท่อ ที่จุดเริ่มต้นการไหลจะเป็นการไหลแบบปั่นป่วน (Turbulent Flow) แต่หลังจากเวลาผ่านไปการไหลจะคงที่หากน้ำที่ไหลเข้ามานั้นยังคงอยู่ที่ความเร็วและความดันเดียวกัน ในทำนองเดียวกันกระแสไฟฟ้าผ่านสายไฟจะสูงกว่ามากในตอนเริ่มต้นเมื่อเราเปิดพัดลมหรือมอเตอร์ เนื่องจากความต้องการของ Torque เริ่มต้นสูง แต่จะเริ่มมีความเสถียรเมื่อพัดลมหรือมอเตอร์ถึงความเร็วที่กำหนด
2
ทีนี่เราจะมาพิจารณาระบบการไหลเวียนของน้ำเพื่ออธิบายสถานะคงที่ในแง่ของอัตราการไหลของน้ำ (Q) ความหนาแน่นของทางเข้าและทางออก (C) และการผลิตฮอร์โมน (P) ในถังเก็บน้ำสำหรับปลาที่อยู่ในถัง . น้ำที่ไหลเข้านั้นจะต้องเท่ากับน้ำที่ปล่อยออกมาที่ทางออก เพื่อทำให้ระบบสามารถรักษาอัตราการไหล ความหนาแน่น และการผลิตฮอร์โมน นอกจากนี้ยังจะต้องรักษาระดับน้ำในถังและให้ออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับปลาอย่างต่อเนื่อง รูปที่ 1 แสดงสถานการณ์ที่กล่าวถึงข้างต้นโดยชัดเจน:
รูปที่ 1: ระบบการไหลเวียนของน้ำ
การไหลแบบชั่วคราว (Transient State Flow)
ตามระบบการเปลี่ยนแปลงทั่วไปที่เราสามารถสังเกตได้นั้น การที่ระบบจะเข้าสู่ภาวะแบบคงที่นั้น ระบบจะต้องอาศัยช่วงเวลาขณะหนึ่ง เพื่อทำให้ทุกอย่างคงที่ ช่วงเวลานี้เรียกว่าเฟสชั่วคราว (Transient Phase) สถานะสุดท้ายก่อนจะกลายเป็นสถานะคงที่ และระบบจะอยู่ที่นั่นตลอดไปจนกว่า จะมีสิ่งเร้าเข้ามาทำการเปลี่ยนแปลงอีกครั้ง
การไหลนั้นไม่ต่อเนื่องหรือไม่เสถียร เนื่องมาจากพารามิเตอร์การไหล (เช่นความเร็วและความดัน) นั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งในระบบที่ใช้เพื่อกำหนดเขตการไหล แต่ยังคงขึ้นอยู่กับเวลา ความแตกต่างระหว่างปรากฏการณ์การไหลแบบชั่วคราว นั้นมีทั้งหมดสามประเภท
การไหลนั้นไม่ต่อเนื่องหรือไม่เสถียร เนื่องมาจากพารามิเตอร์การไหล (เช่นความเร็วและความดัน) นั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งในระบบที่ใช้เพื่อกำหนดเขตการไหล แต่ยังคงขึ้นอยู่กับเวลา ความแตกต่างระหว่างปรากฏการณ์การไหลแบบชั่วคราว นั้นมีทั้งหมดสามประเภท
- ปรากฎการณ์ที่ผิดปกติอย่างสุ่ม เช่น ความผันผวนของการไหลแบบปั่นป่วน
- ปรากฎการณ์การวิ่งขึ้นหรือการวิ่งลงเช่น หากปั๊มน้ำเริ่มทำงานหรือหยุดทำงาน
- ปรากฏการณ์เป็นระยะเช่นเช่น จังหวะที่เกิดจากแรงดันไฟกระชากในท่อ, เส้นโค้ง H / Q ที่บิดเบี้ยวของปั๊มแบบแรงเหวี่ยงหรือเอฟเฟกต์การหมุนของใบพัด
ตัวอย่าง
1
การไหลผ่านชุดใบพัดหมุน (เช่นใบพัด) มักเป็นของเหลวชั่วคราวดังที่เห็นจากระบบตำแหน่ง ณ จุดใดจุดหนึ่ง ความเร็วและความดันทั้งหมด จะเปลี่ยนแปลงเป็นประจำในตำแหน่งคงที่ ในขณะที่ใบพัดหมุน อย่างไรก็ตามการไหลในใบพัดและบริเวณใกล้เคียงสามารถเรียกได้ว่าคงที่ตราบใดที่มันถูกแสดงโดยใช้ระบบพิกัดที่หมุนด้วยใบพัด
2
เมื่อสวิตช์ถูกเปิดเข้าไปในวงจรไฟฟ้าที่เหมาะสมที่มีคอนเดนเซอร์หรือตัวเหนี่ยวนำอุปกรณ์ อุปกรณ์จะดึงแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นหรือการเปลี่ยนกระแสไฟฟ้า (ตามลำดับ) ซึ่งช่วยให้ระบบใช้ช่วงเวลาที่สำคัญนั้นเพื่อเข้าสู่สถานะเสถียรใหม่ เราอาจอธิบายภาวะชั่วครู่โดยระบุว่าสถานะชั่วคราวเกิดขึ้นในขณะที่สารหยุดนิ่งหรือเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องและมีการเคลื่อนไหวตามเวลา เมื่อ SCR (อุปกรณ์ PNPN สี่ชั้น) ถูกเปิด ระบบจะเกิดภาวะ Transient phase เนื่องจากค่ากระแสและแรงดันสูงที่แกว่งไปมาข้ามจุดปกติ จนกว่าจะกลับมาปกติอีกครั้ง
ความแตกต่างระหว่าง Steady-State flow และ Transient flow:
การแก้ปัญหาแบบ Transient flow สามารถทำได้โดยการวิเคราะห์แบบคงที่ อย่างไรก็ตามการวิเคราะห์ไม่สามารถคาดการณ์เกี่ยวกับกระบวนการที่เกิดขึ้นเพื่อให้บรรลุเข้าสู่สภาวะที่มั่นคง Steady-state หากเรายุติการวิเคราะห์ของไหลและความร้อนก่อนที่จะถึงวิธีแก้ปัญหาคงที่ ผลลัพธ์อาจจะไม่มีความหมายทางกายภาพเลย
ในทางตรงกันข้ามการวิเคราะห์ชั่วคราวสามารถจำลองสภาพของระบบอย่างแม่นยำตามที่มันแตกต่างกันไปตามเวลา นั่นเป็นเหตุผลที่การวิเคราะห์ชั่วคราววัดปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงตามเวลา หากเราอนุญาตให้การวิเคราะห์ชั่วคราวทำงานเป็นเวลานานในที่สุดมันก็จะสิ้นสุดที่สภาวะมั่นคง อย่างไรก็ตามการแก้ปัญหาสถานะคงที่สามารถทำได้โดยใช้การวิเคราะห์แบบคงที่ได้เร็วกว่าการวิเคราะห์แบบชั่วคราว
พิจารณาสถานการณ์ที่แสดงในรูปที่ 2 โดยที่น้ำถูกเทลงในภาชนะที่มีเต้าเสียบอยู่ด้านหนึ่ง ในตอนแรกเมื่อระดับน้ำต่ำกว่าทางออกน้ำที่เทลงจะมากกว่าน้ำที่ปล่อยออกมาซึ่งแสดงถึงความปั่นป่วนหรือสภาวะชั่วคราว อย่างไรก็ตามหลังจากระยะเวลาหนึ่งเมื่อระดับน้ำถึงจุดหนึ่งแล้วน้ำราดจะเท่ากับน้ำที่ปล่อยออกมาแสดงเครื่องแบบหรือสถานะคงที่และระดับน้ำคงที่ รูปที่ 2 ช่วยให้คุณเข้าใจปรากฏการณ์
ในทางตรงกันข้ามการวิเคราะห์ชั่วคราวสามารถจำลองสภาพของระบบอย่างแม่นยำตามที่มันแตกต่างกันไปตามเวลา นั่นเป็นเหตุผลที่การวิเคราะห์ชั่วคราววัดปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงตามเวลา หากเราอนุญาตให้การวิเคราะห์ชั่วคราวทำงานเป็นเวลานานในที่สุดมันก็จะสิ้นสุดที่สภาวะมั่นคง อย่างไรก็ตามการแก้ปัญหาสถานะคงที่สามารถทำได้โดยใช้การวิเคราะห์แบบคงที่ได้เร็วกว่าการวิเคราะห์แบบชั่วคราว
พิจารณาสถานการณ์ที่แสดงในรูปที่ 2 โดยที่น้ำถูกเทลงในภาชนะที่มีเต้าเสียบอยู่ด้านหนึ่ง ในตอนแรกเมื่อระดับน้ำต่ำกว่าทางออกน้ำที่เทลงจะมากกว่าน้ำที่ปล่อยออกมาซึ่งแสดงถึงความปั่นป่วนหรือสภาวะชั่วคราว อย่างไรก็ตามหลังจากระยะเวลาหนึ่งเมื่อระดับน้ำถึงจุดหนึ่งแล้วน้ำราดจะเท่ากับน้ำที่ปล่อยออกมาแสดงเครื่องแบบหรือสถานะคงที่และระดับน้ำคงที่ รูปที่ 2 ช่วยให้คุณเข้าใจปรากฏการณ์
รูปที่ 2: การเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำ
ข้อดีและข้อเสีย
ข้อดี | ข้อเสีย | ||
|---|---|---|---|
การไหลแบบคงที่ (Steady State Flow) | |||
|
| ||
|
| ||
| |||
| |||
การไหลแบบชั่วคราว (Transient State) | |||
|
| ||
|
| ||
ข้อสรุป
ในบทความนี้ภาพรวมที่สมบูรณ์ของสถานะคงที่และสถานะชั่วคราวมีตัวอย่างที่เหมาะสม ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างรัฐที่มั่นคงและชั่วคราวมีให้พร้อมกับผลประโยชน์และเช่นเดียวกับข้อเสียของแต่ละรัฐ เราสามารถสรุปได้ว่าสถานะคงที่ของของเหลวนั้นถูกนิยามไว้อย่างเรียบง่ายว่าเป็นสถานะของการไหลซึ่งคุณลักษณะของของไหลเช่นความเร็วความหนาแน่นความดัน ฯลฯ ไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป ในขณะที่สถานะชั่วคราวของการไหลถูกกำหนดให้เป็นสถานะของการไหลที่คุณลักษณะของของไหลเช่นความเร็วความหนาแน่นความดัน ฯลฯ เปลี่ยนแปลงตามเวลาในช่วงเวลา
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
ธนา เพิกเฉย
CFD Engineer - Cradle Consulting Thailand
ผู้เขียนมีประสบการณ์ในการวิจัยอย่างกว้างขวาง ในด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศ และที่เกี่ยวข้องกับอากาศพลศาสตร์เครื่องบิน ผู้เขียนจบการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาวิศวกรรมการบินและอวกาศจากมหาวิทยาลัยรังสิต (College of Engineering) กรุงเทพมหานคร ปัจจุบันเขากำลังศึกษาต่อในระดับปริญญาโทที่มหาวิทยาลัยเซาท์เวลส์ เมืองเวลส์ ประเทศสหราชอาณาจักรอังกฏษ Iนอกจากนี้เขายังได้รับการฝึกฝนและได้รับใบรับรอง EASA สำนักงานความปลอดภัยการบินแห่งสหภาพยุโรป (EASA.147.0027) จาก บริษัท ไทคู (เซียะเหมิน) อากาศยานเอ็นจิเนียริ่ง จำกัด
ผู้เขียนมีประสบการณ์ในการวิจัยอย่างกว้างขวาง ในด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศ และที่เกี่ยวข้องกับอากาศพลศาสตร์เครื่องบิน ผู้เขียนจบการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาวิศวกรรมการบินและอวกาศจากมหาวิทยาลัยรังสิต (College of Engineering) กรุงเทพมหานคร ปัจจุบันเขากำลังศึกษาต่อในระดับปริญญาโทที่มหาวิทยาลัยเซาท์เวลส์ เมืองเวลส์ ประเทศสหราชอาณาจักรอังกฏษ Iนอกจากนี้เขายังได้รับการฝึกฝนและได้รับใบรับรอง EASA สำนักงานความปลอดภัยการบินแห่งสหภาพยุโรป (EASA.147.0027) จาก บริษัท ไทคู (เซียะเหมิน) อากาศยานเอ็นจิเนียริ่ง จำกัด