انواع فشار در صنعت (فشار استاتیک، فشار دینامیک، فشار سکون)

در این مقاله قصد داریم اصطلاحات انواع فشار در مکانیک سیالات و در اصل برنولی را بررسی نموده و به معرفی تفاوت‌ها و ارتباط میان آن‌ها بپردازیم. این اصطلاحات عبارتند از:

• فشار استاتیک (Static Pressure)
• فشار دینامیک (Dynamic Pressure)
• فشار سکون (Stagnation Pressure, Ram Pressure, Total Pressure, Pitot Pressure)

در مکانیک سیالات، فشار عبارت است از نیروی عادی اعمال شونده بر روی یک سطح. از نظر ریاضی، میزان فشار (P) در یک نقطه به صورت زیر مشخص می‌شود:

واحدهای متریک مورد استفاده برای اندازه گیری فشار، نیوتن بر متر مربع(N/m²)  و معمولاً کیلوپاسکال (kPa) می باشند. به عنوان مثال، فشار اتمسفر در سطح دریا 101.3 kPa است. واحدهای انگلیسی برای اندازه گیری فشار، psi و psf هستند.

فشار استاتیک (Static Pressure)

فشار استاتیک، که گاهی فشار هیدرواستاتیک (Hydrostatic Pressure) نیز نامیده می‌شود، فشاری است که توسط سیالی که در حالت استراحت قرار دارد، اعمال می‌شود. این سیال می‌تواند مایع یا گاز باشد. از آن‌جایی که سیال حرکت ندارد، فشار استاتیک نتیجه‌ی وزن سیال یا همان نیروی جاذبه‌ی وارد بر ذرات سیال است.

برای محاسبه‌ی فشار استاتیک دو روش وجود دارد:

روش اول (رایج ترین روش)، استفاده از رابطه‌ی زیر است:

P = فشار

F = نیروی اعمال شونده توسط سیال

A = سطحی که به آن نیرو وارد می شود

روش دوم برای محاسبه‌ی فشار استاتیک، محاسبه “هد فشار” (Pressure Head) است که گاهی از مواقع به آن “هد” نیز گفته می شود. هد فشار بیان‌ گر مقدار ارتفاعی است که سیال، در صورت از بین رفتن و حذف نیروهای محصور کننده وارد به آن، بالا می‌رود. بنابراین واحد “هد فشار” از جنس طول است. هد فشار برابر است با تقسیم فشار بر وزن مخصوص سیال (Unit weight or Specific weight):

به منظور اندازه‌گیری فشار استاتیک می‌توان یک پیزومتر روی لوله نصب کرد. رابطه‌ی محاسبه‌ی این فشار با استفاده از مفهوم هد فشار به صورت زیر می باشد:

ρ = چگالی سیال

g = 9.8 m/s2 = شتاب گرانش

h = هد فشار سیال یا ارتفاعی که سیال بالا می رود

γ = ρg = وزن مخصوص سیال

تفاوت چگالی و وزن مخصوص مواد:

نسبت وزن یک ماده به حجم آن را “وزن مخصوص” می نامند که با گاما (γ) نمایش داده می‌شود و متاثر از شتاب گرانش است.

نسبت جرم ماده به حجم آن، “چگالی” نامیده می شود که با (ρ) نمایش می دهند و مستقل از شتاب گرانش است.

در نتیجه برای اندازه‌گیری فشار استاتیک در یک نقطه داریم:

اندازه‌گیری دقیق فشار استاتیک نیاز به توجه زیادی دارد. برای مثال لازم است که در نقطه‌ی اندازه‌گیری فشار استاتیک، هیچ انرژی جنبشی‌ای به فشار تبدیل نشود. به این منظور، برای نصب پیزومتر به سوراخی صاف و بدون هیچ برآمدگی و عیبی نیاز است. وجود برآمدگی و عیب می‌تواند فشار اندازه‌گیری شده را کمتر یا بیشتر از مقدار واقعی کند.

فشار دینامیک (Dynamic Pressure)

فشار دینامیک (Velocity Pressure یا Dynamic Pressure)، فشاری است که به دلیل حرکت سیال به‌وجود می‌آید. این فشار در سیالات تراکم ناپذیر به صورت زیر تعریف می‌شود:

که در آن، ρ چگالی سیال، و V شدت جریان سیال است.

در واقع فشار دینامیک وابسته به سرعت سیال و اصل برنولی است و یکی از ترم‌های معادله برنولی می باشد.

این اثر باعث کاهش فشار مایع (فشار استاتیک) در مناطقی می‌شود که سرعت جریان سیال در آن مناطق افزایش می‌یابد.

شکل ساده‌تر شده‌ی معادله‌ی برنولی به صورت زیر است:

Static pressure + Dynamic pressure = Total pressure (Stagnation pressure)

درنتیجه، فشار دینامیک برابر با اختلاف میان فشار سکون و فشار استاتیک است.

فشار دینامیک رابطه‌ی بسیار نزدیکی با افت فشار دارد. در سیستم‌های لوله‌کشی، مهم‌ترین کمیت، افت فشار به دلیل وجود اثرات ویسکوز در طول سیستم و همچنین افت فشارهای ناشی از وجود سایر تجهیزات مانند شیر، زانویی و … است. به صورت تجربی، در بیش‌تر جریان‌های مهندسی (کاملا توسعه یافته، جریان مغشوش)، افت هد (Head loss) با توان دوم شدت جریان متناسب است. در واقع افت هد با فشار دینامیک رابطه‌ی مستقیم دارد.

فشار سکون

Stagnation Pressure

در دینامیک سیالات، فشار سکون (فشار پیتو یا فشار کل)، فشار استاتیک در نقطه‌ی سکون (Stagnation Point) در جریان یک سیال است. در نقطه‌ی سکون، سرعت سیال صفر بوده و همه‌ی انرژی جنبشی به صورت ایزونتروپیک به فشار تبدیل می‌شود.

فشار سکون برابر با حاصل جمع دو فشار دینامیک و استاتیک یک جریان آزاد است:

باید توجه داشت در این حالت برای محاسبه‌ی فشار استاتیک در جریان درون یک لوله، باید ارتفاع سیال را از محور میانی لوله در نظر گرفت.

فشار دینامیک و فشار کل، فشارهای معمولی نیستند و نمی‌توان آن‌ها را توسط ستون جیوه، لوله‌ی بوردن یا بارومتر خشک اندازه‌گیری کرد.

فشار سکون را فشار پیتو نیز می‌نامند، چرا که آن را توسط لوله‌ی پیتو اندازه‌گیری می‌کنند. لوله‌ی پیتو وسیله‌ای است که برای اندازه‌گیری سرعت سیال از آن استفاده می‌شود. در استفاده از لوله‌ی پیتو، این نکته اهمیت بسیار بالایی دارد که این لوله دقیقا در مسیر جریان قرار گیرد. هرگونه ناراستی، میدان جریان نامتقارنی بوجود می‌آورد که ممکن است خطا ایجاد کند.

یکی از راههای تعیین جهت و سرعت سیال، استفاده از لوله‌ی پیتو جهت‌یاب است، که سطح مقطع آن در زیر نشان داده شده است. سه سوراخ فشار را در استوانه‌ی کوچکی که توسط سه لوله‌ی کوچک به سه حسگر فشار متصل است، ایجاد می‌کنند. استوانه را آنقدر می‌چرخانند که فشار در دو سوراخ جانبی برابر شود. بدین ترتیب مشخص می‌شود که سوراخ مرکزی دقیقا در جهت خط جریان قرار دارد. بنابراین با سوراخ مرکزی می‌توان فشار سکون را اندازه‌گیری کرد. دو سوراخ جانبی در زاویه‌ی خاصی قرار گرفته‌اند تا فشار استاتیک را اندازه‌گیری کنند.

باید توجه شود که تمامی مطالب بالا، درباره‌ی جریان های تراکم‌ناپذیر صادق است. جریان تراکم ‌ناپذیر، جریانی است که در آن چگالی سیال ثابت است. در سرعت‌های بالا، تراکم‌پذیری جریان اهمیت پیدا می‌کند و پدیده‌های دیگری رخ می‌دهد.

سخن پایانی

مجموعه رکسنس  ارائه دهنده ی انواع سنسور فشار، ترانسمیتر فشار، ترانسمیتر فشار ویکا، سنسور فشار مذاب، سنسور فشار اکسترودر، برای دریافت قیمت سنسور فشار و قیمت ترانسمیتر فشار می توانید با مشاورین مجموعه برای داشتن انتخابی بهتر در ارتباط باشید.