หนวยท่ี 7 กลศาสตรของไหล คุณสมบัตขิองของไหล กลศาสตรของไหล (fluid mechanic) เปนสาขาหนึ่งของกลศาสตรประยุกตที่เกีย่วของกับพฤติกรรมของของเหลวและกาซ สาขาวิชานี้สามารถแบงออกไดเปน สถิตยศาสตรของไหล (ของไหลอยูกับที่) และพลศาสตรของไหล (ของไหลที่มีการเคลื่อนที่) การศึกษาทางดานนี้สามารถประยุกตใชในการออกแบบ และแกไขปญหาตางๆ เชน การไหลของน้ําดีและน้ําเสีย การไหลของน้าํในระบบทอดับเพลิง การระบายอากาศ การดูดควันหรือสารเคมีอันตรายออกจากพืน้ที่ทํางาน เปนตน 1. ความหมายของของไหล ของไหลคืออะไร ความแตกตางระหวางของแข็งและของไหล พจิารณาที่โครงสรางโมเลกุล คือ ของแข็ง เชน โลหะคอนกรีต มีโมเลกุลที่อยูชิดติดกนั มีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลสูง ซ่ึงทําใหของแข็งสามารถคงรูปราง และไมเปลี่ยนรูปงายๆ กรณีของเหลวเชน น้ํา น้ํามนั มีระยะหางระหวางโมเลกุลมากกวา มีแรงยึดเหนี่ยวระหวางโมเลกุลต่ํากวา โมเลกุลมีอิสระในการเคลื่อนทีม่ากกวา จึงสามารถเปลี่ยนรูปไดงาย สามารถเทลงในภาชนะบรรจุได หรือบังคับใหไหลไปในทอหรือรางไดกรณีกาซ เชน อากาศ ออกซิเจน ยิ่งมีระยะหางระหวางโมเลกุล และแรงยึดเหนีย่วทีน่อยกวาของเหลว จงึสามารถเปลี่ยนรูปรางและถูกกดดันไดงาย แรงเฉือน คือ แรงในแนวสัมผัสกับพื้นผิว โลหะหรือคอนกรีตถาไดรับแรงเฉือนวตัถุนั้นจะไมเปลี่ยนรูป ในกรณีของไหลถาไดรับแรงเฉือนจะมกีารเปลื่ยนรูปและไหลไปสูทีอ่ื่น แตถามีความหนืดมากจะไมไหล 2. คุณสมบัติของของไหล กาซมีความเบาและกดอัดได ของเหลวหนักและกดอัดไมได น้ําเชื่อมไหลชาจากภาชนะบรรจุ แตน้ําไหลอยางรวดเร็ว เพราะคณุสมบัติเหลานี้ ไดแก ความหนาแนน คาปริมาตรจําเพาะ คาน้ําหนกัจําเพราะ และคาความถวงจําเพาะ

สถิตยศาสตรของของไหล ของไหลที่อยูนิ่งไมมีความเคนเฉือน มีแตแรงที่เกิดขึน้บนพื้นผิวเนื่องมาจากความดนัในแนวตั้งฉาก หนวยของความดันในระบบเมตริกใชเปน ปาสคาล (Pascal) หรือ PA หรือนิวตันตอตารางเมตร หนวยของความดันในระบบอังกฤษใชเปน ปอนดตอตารางนิ้ว ( psi หรือ pound per square inch) ความดันเปนขอมูลที่สําคัญอันหนึ่งของๆไหล อุปกรณเทคนิคหลายๆ อยางจึงไดถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อใชในการวัดคาความดัน โดยทั่วไปจะใชคาความดัยบรรยากาศ (atmospheric pressure) และความดันสัมบูรณที่เปนศูนยน (absolute zero pressure) เปนคาความดันอางอิง คาความดนัที่วัดเทียบกบัความดันบรรยากาศเรียกวา ความดันเกจ (gage pressure) สวนความดันทีว่ัดเทียบกับความดันสัมบูรณที่เปนศูนยเรียกวาความดันสมบูรณ (absolute zero pressure) ความดนัเกจที่เปนศูนยจะเทากับความดันบรรยากาศ

กฎของกาซอดุมคติ กาซเปนของไหลที่กดดันได เมื่อเปรียบเทียบกับของเหลว การเปลี่ยนแปลงของความหนาแนนของกาซมีผลโดยตรงตอการเปลี่ยนแปลงความดันและอณุหภมูิ ตามกฎเกณฑของกาซ

สมการนี้เรียกวา กฎของกาซในอุดมคติ (ideal gas law)

กฎของบอยล กฎนี้กลาวไววา ณ ที่อุณหภูมคิงที่ ปริมาตรกาซจะเปลี่ยนแปลงเปนอัตราสวนผกผันกบัความดันกาซนั้น

กฎของเกยลุกแซก ถาปริมาตรคงที่ในขณะที่กาซหรืออากาศจํานวนหนึ่งมีการเปลี่ยนแปลงสภาพ ความดันจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ เขียนสมการไดดังนี ้

สมการของของไหล สมการที่มีความสําคัญตอการวิเคราะห การเคลื่อนที่ของของไหลมี 2 สมการ ซ่ึงประกอบดวย - สมการความตอเนื่อง ( continuity equation) และสมการเบอรนูล่ี (Bernoulli equation) 1. สมการความตอเนื่อง 2. สมการเบอรนูล่ี หลักการของการไหลของของไหลภายในทอ ในการวเิคราะหจะใชทอที่มีหนาตัดกลมเปนหลัก สําหรับการไหลในทอกลมจะถือวา ของไหลอยูเตม็ภายในทอ การไหลแบบไมเต็มทอเรียกวาการไหลแบบชองเปด (open channel) โดยมีแรงโนมถวงเพียงอยางเดียวเปนตวัขบัเคลื่อนในการไหล กรณีการไหลแบบเต็มทอแรงขับเคลื่อนจะมาจากความดันทีแ่ตกตางกัน ระบบปม หรือพัดลมเปนหลัก การไหลแบบราบเรียบ (laminar flow) หรือ ปนปวน (turbulent flow) นักวิทยาศาสตรชาวอังกฤษ ออสบอนด เรยโนลด เปนผูคนพบ ค.ศ. 1842-1912 ฉีดสียอมลงไปในทอสังเกตการไหลของสี ความเร็วของไหลต่ํา สีจะเปนเสนตรง อยางมี

ระเบียบ เรียกวาการไหลแบบราบเรียบ ถาความเร็วของไหลสูงขึ้จนถึงจุดหนึ่งเสนการไหลจะไมเปนเสนตรง ไมมีระเบียบ เรียกการไหลแบบนี้วาการไหลแบบปนปวน การวิเคราะหคาความดนัสูญเสีย

1. ความสัมพันธระหวางคาความดันสูญเสีย หรือความดันตกครอมและความหนืด 2. เฮดความดนั 3. ความดันสูญเสียเนื่องจากแรงเสียดทาน ภายในทอ สูญเสียจากขอตอและอื่นๆ สูญเสียที่วาลว ทางเขาทอ ทางออก

ทอ ที่ทอลด ที่ทอขยาย การตรวจวัดการไหล หลักการและเครื่องมือวัดความดัน ความดนัเปนคุณสมบตัิที่สําคัญมากอันหนึ่งของของไหล จึงมีอุปกรณหลายอยางถูกออกแบบและพัฒนามาเพื่อทําหนาที่ในการตรวจวดัความดัน เชน บารโรมีเตอร พีโซมีเตอร ทิวยทูิว มาโนมีเตอร มาโนมีเตอรแบบทอเอียง และเกจวดัความดนัแบบบูดอง

1. บารโรมีเตอร (barometer) รูปแบบประกอบดวยหลอดแกว ปลายดานหนึ่งปด ปลายอืกดานหนึ่งเปด ปลายดานเปดจะถกูจุมลงในภาชนะทีบ่รรจุปรอทไว

2. พีโซมิเตอร ทิว (piezometer tube) เปนเทคนิควัดคาความดันเกจโดยใชแทงของเหลวที่ตั้งไวในแนวดิ่ง ปลายเปด ติกเขากับภาชนะบรรจุของเหลว A ที่ตองการวัดคาความดัน

ความดันในภาชนะบรรจุบรรจุตองมากกวาความดันบรรยากาศ 3. ยู ทิว มาโนมเีตอร (U Tube manometer) เพื่อเอาชนะขอจํากัดของพีโซมีเตอร รูปแบบของมาโนมีเตอรแบบตัวยู จึง

ไดถูกพัฒนาออกมา ของไหลที่อยูในมาโนมีเตอรเรียกวาของไหลเกจ (gage fluid)

4. มาโนมีเตอรแบบทอเอียง (inclined – tube- manometer) ในการวัดเปลีย่นแปลงความดันนอยๆ ขาดานหนึ่งของมา

โนมีเตอรอาจถูกจัดใหมีมุมเอียง

5. เกจวัดความดนัแบบบูดอง (bourdon pressure gage) มาโนมิเตอรทั้ง 4 ประเภท มีขอจํากัดคือไมสามารถวัดความ

ดันสูงมากๆได หรือความดนัมีการเปลื่ยนแปลงขึ้นลงอยางรวดเร็ว เกจวัดความดนัแบบบูดองไดถูกพัฒนาจากทอกลวงที่มีความออนตัว นํามาจัดใหมีความโคง เมื่อตอของไหลใหไหลเขาไปในทอกลวงนี้ หากมกีารเปลี่ยนแปลงความดัน ความดันของของไหลเพิ่มขึ้น ทอจะดึงออกเปนเสนตรงแลวไปขับฟนเฟองหมุนขับเข็มชีไ้ปตามสเกล

หลักการและเครื่องมือวัดอัตราการไหล 1. มิเตอรวัดอัตราการไหล 3 ประเถทคือ ออริฟช (orifice) หัวฉีด (nozzle) และแบบเวนทูรี (venture) มิเตอรทั้ง 3 แบบ

ทํางานโดยใชหลักการลดพืน้ที่หนาตดัของการไหลทําใหความเรว็ของการไหลสูงขึ้นพรอมกับความดันที่ลดลง ความสัมพันธระหวางความดันที่ลดลงและความเรว็ที่เพิม่ขึ้น ทําใหเกดิเปนแนวคดิหลักของของการวัดอัตราการไหล

manasu