Sıvı akış prensiplerini, basınç düşüşü ve akış hızını anlamak için öncelikle basınç, viskozite ve Reynolds sayısı kavramlarını inceleyelim. Bu kavramlar için akışkanların borulardan, hortumlardan ve kanallardan akışına bakalım.
Akış; su, benzin, doğal gaz gibi insan dolaşım sisteminin biyomedikal çalışmaları için de önemlidir. Kan, oksijeni ve besinleri dokuya taşımak, karbondioksit, diğer atık ürünleri uzaklaştırmak için damarlardan akar. Vasküler sistem, küçük kılcal damarlara açılan büyük vücut boyunca uzanan arterler ve damarlardan oluşur. Bazı açılardan, bu damarlardaki kan akışı, hidrolik ve pnömatik gibi mühendislik uygulamalarında karşılaşılana benzer.
Borulardaki Sıvı akışı
Sıvılar, yüksek basınçlı bir yerden daha düşük basınçlı bir yere akma eğilimindedir. Yani sıvı hareket ettikçe, basınç farkını dengeleyen ve sabit akış üreten viskoz kayma gerilmeleri geliştirir. Canlı dolaşımında, diğer faktörler eşit olduğunda, kalp ve femoral arter arasındaki basınç farkı ne kadar büyükse, kan o kadar hızlı akar.
Borulardaki Basınç Düşümü sıvısı
Bir boru, hortum veya kanal boyunca basınçtaki değişime, Δp ile gösterilen basınç düşüşü denir. Bir akışkan ne kadar viskoz olursa, hareket üretmek için gerekli olan basınç farkı o kadar büyük olur.
Borunun düzgün ilerleyen bölümünde (giriş, pompa, vana veya köşe gibi yerlerden uzak) ve Reynolds sayısının yeterince düşük değerleri için borudaki akış laminerdir. Deneysel kanıtlar Re <2000 için borularda laminer akışın meydana geldiğini göstermektedir. Kaymama koşulunu hatırlatarak, sıvının hızı borunun iç yüzeyinde tam olarak sıfırdır. Simetri ilkesine göre, akışkan borunun merkez çizgisi boyunca en hızlı şekilde hareket edecektir. Haliyle borunun yarıçapı R’de sıfır hıza düşecektir. Aslında, laminer akıştaki hız dağılımı, denklemde verildiği gibi yarıçapın parabolik bir fonksiyonudur.
Hacimsel akış hızı
Sıvının akış hızı kadar, genellikle belirli bir zaman aralığında borudan akan sıvının (V) hacmini buluruz. Bu durumda, hacimsel akış hızı, ΔV / Δt olarak adlandırılır. SI’da m ^ 3 / s ve USCS’de ft ^ 3 / s veya gal / s boyutlarına sahiptir.
Hacimsel akış hızı, borunun çapı ve içinden akan sıvının hızı ile ilgilidir. Enine kesit alanı A’ya ve bir borudan akan uzunluğu Δx olan silindirik sıvı elemanını gösterir. Δt zaman aralığında borunun herhangi bir kesitinden geçen akışkan hacmi ΔV = A Δx ile verilir. Borudaki akışkanın ortalama hızı v avg = Δx / Δt olduğundan, Hacimsel akış hızı olur.
q = Ort. ——————————- 3
Akış laminer olduğunda, sıvının ortalama hızı ve Denklem (2) ‘deki maksimum hızı Şekil (b)’ de gösterildiği gibi (Özel durum: Re <2000) ile ilişkilendirilir.
v ort = 0,5 v maks
Borulardaki akışkan akışı için Reynolds sayısı hesaplanırken Reynolds Sayısı Denkleminde ortalama hız v ve borunun çapı d kullanılmalıdır .
Poiseuille’in borudaki sıvı akışı yasası
Poiseuille yasası laminer akış koşulları ile sınırlıdır. Hacimle ölçüldüğünde, bir borudan akan akışkanın hızı, çapının dördüncü kuvveti ile artar. Basınç düşüşüyle doğru orantılıdır ve borunun uzunluğu ile ters orantılıdır. Poiseuille yasası, borunun uzunluğu, çapı ve basınç düşüşü bilindiğinde hacimsel akış oranını belirler. Basınç düşüşünü bulmak için; veya q, L ve D p verildiğinde bir boru için gerekli çapı belirlemek için kullanılır.
Bir sıvının sıkıştırılabilirliği önemsiz olduğunda; hacimsel akış hızı Figurebelow’da gösterildiği gibi borunun çapında değişiklikler olsa bile sabit kalacaktır.
B 1 v 1 = A 2 v 2
Bir boru, hortum veya kanalın kesit alanı küçülürse, sıvı daha hızlı akar. Aynı şekilde bunun tersi de geçerlidir. Suyun daha uzağa püskürmesine neden olmak için bir bahçe hortumunun ucuna parmağınızı koyduğunuzda farkına varmadan hacimsel akış hızı ile deney yapmış oldunuz.
