สมดุลของเปลือกหอย
ในกลศาสตร์ของไหลสมดุลของเปลือกสามารถใช้เพื่อกำหนดโปรไฟล์ความเร็วของของไหลที่เคลื่อนที่ กล่าวคือ การเปลี่ยนแปลง ความเร็ว ของของไหล ตามตำแหน่งในหน้าตัดการไหล
"เปลือก" คือองค์ประกอบเชิงอนุพันธ์ของการไหล โดยการพิจารณาโมเมนตัมและแรงที่กระทำต่อส่วนเล็กๆ ส่วนหนึ่ง เราสามารถทำการอินทิเกรตไปทั่วการไหลเพื่อดูภาพรวมของการไหลทั้งหมดได้ สมดุลจะเป็นตัวกำหนดว่าอะไรจะเข้าและออกจากเปลือก โมเมนตัมเกิดขึ้นภายในเปลือกจากการไหลเข้าและออกจากเปลือก และจากแรงเฉือนนอกจากนี้ยังมีแรงดันและ แรงโน้ม ถ่วงกระทำต่อเปลือก จากสิ่งเหล่านี้ เราสามารถหาความเร็วสำหรับจุดใดๆ ในการไหลได้
แอปพลิเคชัน
สมดุลของเปลือกสามารถนำไปใช้ได้ในหลายสถานการณ์ ตัวอย่างเช่น การไหลในท่อ การไหลของของเหลวหลายชนิดรอบๆ กัน หรือการไหลเนื่องจากความแตกต่างของความดัน แม้ว่าเงื่อนไขในสมดุลของเปลือกและเงื่อนไขขอบเขตจะเปลี่ยนแปลงไป แต่การตั้งค่าและกระบวนการพื้นฐานยังคงเหมือนเดิม
ข้อกำหนดสำหรับการคำนวณสมดุลเปลือกหอย
ของเหลวนั้นต้องมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:
- การไหลแบบลามินาร์
- ไม่มีทางโค้งหรือทางเลี้ยว
- สภาวะคงที่
- เงื่อนไขขอบเขตสองเงื่อนไข
เงื่อนไขขอบเขตใช้เพื่อหาค่าคงที่ของการอินทิเกรต
- ขอบเขต ระหว่างของเหลว และ ของแข็ง : เงื่อนไขไม่มีการลื่นไถลหมายความว่า ความเร็วของของเหลวที่บริเวณของแข็งเท่ากับความเร็วของของแข็ง
- ขอบเขตของ ของเหลวและก๊าซ : แรงเฉือน = 0
- ขอบเขตระหว่างของเหลวสองชนิด: ความเร็วและแรงเฉือน เท่ากัน ในของเหลวทั้งสองชนิด
การปรับสมดุลเปลือกหอย
ของเหลวไหลผ่านและสัมผัสกับพื้นผิวแนวนอนสองพื้นผิวที่มีพื้นที่สัมผัส A โดยใช้เปลือกทรงกระบอกที่มีความสูง Δy (ดูแผนภาพด้านล่าง)

พื้นผิวด้านบนเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว U ส่วนพื้นผิวด้านล่างอยู่นิ่ง
- ความหนาแน่นของของเหลว = ρ
- ความหนืดของของเหลว = μ
- ความเร็วในทิศทาง x =ดังแสดงโดยเส้นทแยงมุมด้านบน นี่คือสิ่งที่สมดุลเปลือกหอยกำลังหาคำตอบ
การอนุรักษ์โมเมนตัม
- (อัตราการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมขาเข้า) - (อัตราการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมขาออก) + (ผลรวมของแรงทั้งหมด) = 0
ในการทำสมดุลเปลือกหอย ให้ทำตามขั้นตอนพื้นฐานต่อไปนี้:
- หาค่าโมเมนตัมจากแรงเฉือน (โมเมนตัมจากแรงเฉือนเข้าสู่ระบบ) - (โมเมนตัมจากแรงเฉือนออกจากระบบ) โมเมนตัมจากแรงเฉือนเข้าสู่เปลือกที่จุดy และออกจากระบบที่จุด + Δy แรงเฉือน = τyx พื้นที่ = A , โมเมนตัม= τyxA
- หาค่าโมเมนตัมจากการไหล โมเมนตัมไหลเข้าสู่ระบบที่x = 0 และไหลออกที่x = Lการไหลเป็นแบบสภาวะคงที่ ดังนั้น โมเมนตัมที่ไหลที่x = 0 จึงเท่ากับโมเมนต์ของการไหลที่x = Lดังนั้นจึงหักล้างกันไป
- จงหา แรงโน้ม ถ่วงที่กระทำต่อเปลือกหอย
- หาค่าความดัน
- แทนค่าลงในสมการอนุรักษ์โมเมนตัมและแก้หาค่าτ
- ใช้กฎความหนืดของนิวตันสำหรับของไหลแบบนิวตันτ = - μ ( dV / dy )
- ทำการอินทิเกรตเพื่อหาสมการของความเร็ว และใช้เงื่อนไขขอบเขตเพื่อหาค่าคงที่ของการอินทิเกรต
ขอบเขตที่ 1: พื้นผิวด้านบน: y = 0 และ V = U
ขอบเขตที่ 2: พื้นผิวด้านล่าง: y = D และ V = 0
ทรัพยากร
- "การแก้ปัญหาในปรากฏการณ์การขนส่ง : ปัญหาทางกลศาสตร์ของไหล" สืบค้นเมื่อ2550-10-06
- Harriott, Peter; W. McCabe; J. Smith (2004). การดำเนินงานหน่วยของวิศวกรรมเคมี: ฉบับที่เจ็ด . McGraw-Hill Professional. หน้า68–132 . ISBN 9780072848236.