مکانیک سیالات و هیدرولیک

مکانیک سیالات یکی از علوم مهندسی است که با فهم خواص سیالات، کاربرد قوانین مکانیک و انجام آزمایش‌های منظم گسترش یافته است. در این علم به مطالعۀ سیالات در دو حالت هیدرواستاتیک (سیال ساکن) و هیدرودینامیک (سیال در حال جریان) پرداخته می‌شود. در بحث جریان سیالات، با دو نوع مجرای جریان مواجه می‌شویم:

۱) جریان در لوله‌های سربسته                                                ۲) جریان در کانال‌های روباز

مطالعۀ تخصصی‌تر مورد دوم (کانال‌های روباز) در قالب درس هیدرولیک انجام می‌شود. در مقایسۀ این دو نوع جریان و به‌طور خلاصه می‌توان گفت در جریان در لوله‌ها، عمدتاً نیروهای لزجی مورد توجه قرار می‌گیرند، حال آنکه در کانال‌های روباز که جریان دارای سطح آزاد است، نیروهای ثقلی مهمترین عامل تأثیرگذار می‌باشند. ترکیب توأم مفاهیم بنیادی و همچنین حل مسائل متنوع، از نکات بارز در آموزش این دو درس است که بایستی با دقت و ظرافت خاصی انجام پذیرد. به عنوان یک دیدگاه کلی می‌توان درس‌های مکانیک سیالات و هیدرولیک (مربوط به دورۀ کارشناسی مهندسی عمران) را در مباحث زیر خلاصه کرد:

۱-خواص سیالات (خواص فیزیکی مایعات، کشش سطحی، مویینگی، لزجت سیال و …) و تنش برشی در سیالات (قانون لزجت نیوتن)

۲-فشار و روش‌های اندازه‌گیری آن در سیال ساکن

۳-نیروی هیدرواستاتیک (نیروی فشار سیال ساکن وارد بر سطوح تخت و منحنی و همچنین اجسام) و قوانین تعادل برای اجسام شناور و غوطه‌ور

۴-تعادل نسبی (حرکت با شتاب خطی ثابت و حرکت دورانی یکنواخت حول محور قائم)

۵-سینماتیک سیالات (میدان سرعت، طبقه‌بندی انواع جریان، تعاریف جریان، شتاب سیال، مفهوم سیستم، حجم کنترل و سطح کنترل، دبی جریان، معادلۀ پیوستگی، معادله انتقال رینولدز و تابع جریان)

۶-معادله برنولی و ماشین‌های هیدرولیکی (پمپ و توربین)

۷-معادله مومنتم و جت آزاد مایع

۸-آنالیز ابعادی و قوانین تشابه در مدل‌های هیدرولیکی

۹-جریان لزج و هیدرولیک لوله‌ها (رژیم جریان، تنش برشی در لوله‌ها، جریان آرام در لوله‌ها و معادلۀ هاگن – پوازی، افت انرژی در لوله‌ها و بررسی معادله دارسی – ویسباخ، دیاگرام مودی و افت‌های موضعی، سیستم لوله‌های سری و موازی و …)

۱۰-مبانی هیدرولیک کانال‌های باز (مفاهیم اصلی جریان در کانال‌های باز، مشخصات هندسی مقاطع، انواع جریان در کانال‌ها، محاسبۀ فشار در کانال‌ها، بررسی معادلات اساسی حاکم بر جریان سیال در کانال‌های روباز، بررسی امواج سطحی و توزیع سرعت در کانال‌ها)

۱۱-کاربرد اصل انرژی و مفهوم انرژی مخصوص در کانال‌های باز (اصل انرژی و مفهوم انرژی مخصوص، بررسی جریان در حالت بحرانی، منحنی انرژی مخصوص و تحلیل جریان به هنگام تغییر ارتفاع کف یا عرض کانال به طور موضعی)

۱۲-کاربرد اصل اندازۀ حرکت و مفهوم نیروی مخصوص در کانال‌های باز (اصل اندازۀ حرکت و مفهوم نیروی مخصوص، منحنی نیروی مخصوص و بررسی پرش هیدرولیکی)

۱۳-بررسی جریان‌های یکنواخت (تعاریف و خصوصیات جریان یکنواخت، تنش برشی در جریان یکنواخت، سرعت متوسط در جریان یکنواخت و بررسی روابط شزی و مانینگ و طراحی بهترین مقطع هیدرولیکی)

۱۴-بررسی جریان‌های متغیر تدریجی (معرفی انواع نیمرخ‌های سطح آب، معادله اساسی حاکم بر جریان متغیر تدریجی، رسم نیمرخ‌های سطح آب و محاسبۀ طول نیمرخ‌های جریان متغیر تدریجی)

در آزمون‌های شش سال اخیر از مجموع ۲۰ سؤال مربوط به مکانیک سیالات و هیدرولیک، ۱۲ سؤال به مکانیک سیالات و ۸ سؤال به هیدرولیک اختصاص داده شده است (به جز در سال ۹۴ که تعداد سؤالات در دروس مکانیک سیالات و هیدرولیک به‌ترتیب ۱۳ و ۷ سؤال بوده است). بودجه‌بندی سؤالات در آزمون‌های ۹۰ الی ۹۵ براساس فصل‌های آن در کتاب‌های سری عمران به شرح جدول زیر است: