مکانیک گرایش حرارت و سیالات

[amirhossein toranjian]

مکانیک سیالات
مکانیک سیالات شاخه‌ای از مهندسی سیالات است که به مطالعه خواص سیالات (مایعات ، گازها و پلاسما ) ، نیرو‌های وارد بر سیالات  و یا نیروهای وارده از طرف سیالات بر اجسام جامد می‌پردازد . شاخه مکانیک سیالات را می‌توان به دو دسته کلی استاتیک سیالات و دینامیک سیالات  تقسیم نمود . استاتیک سیالات به مطالعه سیال ساکن می‌پردازد . مهندسان مکانیک ، قوانین استاتیک سیالات را برای محاسبه فشار و نیروهای شناوری  وارد بر یک جسم ساکن مانند سدها و تانک‌های ذخیره‌سازی استفاده می‌نمایند . در مقابل ، دینامیک سیالات به مطالعه رفتار مایعات و گازهای در حال حرکت و یا به مطالعه نیروهای وارد بر یک جسم متحرک در سیال ساکن می‌پردازد .

از آنجا که حرکت سیالات اغلب با فعل و انفعالات حرارتی همراه است ، مطالعه مکانیزم‌های انتقال حرارت یعنی رسانایی ، جابجایی  و تشعشع  به همراه مباحث مکانیک سیالات در یک شاخه قرار می‌گیرد که به عنوان گرایش حرارت و سیالات شناخته می‌شود . به عنوان مثال گرمایش اتاق با استفاده از رادیاتور نمونه ملموس و ساد‌ه‌ای از به هم‌پیوستگی میان مکانیک سیالات و انتقال حرارت است ؛ به طوری که هوای پیرامون رادیاتور پس از گرم شدن به دلیل کاهش چگالی و به واسطه مکانیزم جابجایی ‌به سمت بالا حرکت کرده و هوای سرد جای آن را می‌گیرد. از لحاظ تئوری نیز ، معادلات و روابط توصیف کننده حرکت سیالات و انتقال حرارت ، یعنی معادلات ناویر-استوکس و معادله انرژی شباهت بسیار زیادی به هم دارند ، به طوری که درک معادلات مربوط به حرکت سیالات لازمه درک معادلات انتقال حرارت محسوب می‌شود.

کاربرد گرایش حرارت و سیالات:

می‌توان گفت در هر جایی که سیال و به بیان بهتر مایع ، گاز و یا ترکیب آنها وجود داشته باشد ، حرارت و سیالات می‌تواند کارآیی داشته باشد . بنابراین ، کاربردهای این گرایش می‌تواند از صدها و یا حتی هزاران مورد نیز تجاوز کند . در زمینه نیروگاهی تمام ادوات مرتبط با تولید قدرت و انرژی، یعنی پمپ ، بویلر ، توربین ، کندانسور ، کمپرسور ، برج خنک‌کن ، دی اریتور ، خطوط انتقال آب و ... به طور مستقیم از قوانین سیالات و انتقال حرارت پیروی می‌کنند و بدیهی است که طراحی نادرست هر یک از آنها چه صدمه جبران‌ناپذیری را موجب می‌شود .

در زمینه نظامی طراحی کشتی‌ها ، زیردریایی‌ها ، شناورها ، هاورکرافت‌ها ، هواپیماها،  هلی‌کوپترها، موشک‌ها، تانک‌ها و ... همگی نیازمند طراحی و تحلیل توسط مهندسان مکانیک گرایش حرارت و سیالات می‌باشند . در کلان‌شهری مانند تهران ، بدسوزی وسایل نقلیه موتوری و به تبع آن تولید آلاینده‌ها و ذرات معلق سلامتی افراد جامعه را تهدید می‌کند . از آنجا که تئوری احتراق نیز به طور مستقیم با قوانین سیالات و انتقال حرارت گره خورده است ، مهندسان حرارت و سیالات می‌توانند با طراحی صحیح و اصولی موتور‌ها به کاهش آلودگی هوا کمک کنند . یکی دیگر از کاربردهای گرایش حرارت و سیالات در کیفیت زندگی افراد و آسایش آنها است . در حوزه تأسیسات و تهویه مطبوع شاهد آن هستیم که گاه طراحی نادرست و غیر اصولی تجهیزاتی مانند بویلر ، پمپ ، چیلر و مواردی از این دست ، علاوه بر تأمین نکردن شرایط آسایش هزینه‌های زیادی را نیز متوجه کاربران ساخته است .

در زمینه الکترونیک ، تمام تجهیزات از کوچترین پردازنده‌های رایانه‌ای گرفته تا بزرگترین پایگاه‌های ذخیره داده نیازمند خنک‌سازی هستند . با افزایش ظرفیت خنک‌کاری این تجهیزات ، روش‌های نوین خنک‌سازی نیز مورد نیاز می‌باشند . به نحوی که امروزه استفاده از یک فن در بسیاری از موارد نیاز پردازنده‌ها به خنک‌کاری را تأمین نمی‌کند و بر این اساس توجه پژوهشگران به تکامل ابزار‌های سرمایشی که با استفاده از سیالاتی مانند آب عمل می‌کنند معطوف شده است . این امر نیازمند داشتن درک درستی از مفاهیم انتقال حرارت و سیالات است . علاوه بر تمام این موارد، گرایش حرارت و سیالات در حیطه پزشکی نیز کارآیی دارد . به عنوان مثال طراحی سیالاتی دستگاه تصفیه‌کننده خون (دیالیز) را می‌توان به عنوان یک نمونه کوچک از کاربرد  مکانیک سیالات در حوزه پزشکی به حساب آورد . 

 

زمینه‌های فعالیت در گرایش حرارت و سیالات:

مهندسان مکانیک گرایش حرارت و سیالات در زمینه‌های مختلفی می‌توانند به فعالیت بپردازند . در صنایع هوافضا ، جهت مدلسازی و تحلیل انواع هواپیماها ، هلی‌کوپترها ، پهبادها ، ماهواره‌ها ، موشک‌ها و ... مهندسان حرارت و سیالات فرصت فعالیت دارند . در صنایع کشتی‌سازی نیز وضعیت مشابهی وجود دارد ؛ به طوری که مدلسازی و تحلیل هیدرودینامیکی یک کشتی بدون اطلاع از قوانین حاکم بر سیالات امری غیر ممکن می‌باشد . لازم به ذکر است که امروزه اکثر محاسبات و تحلیل‌های مرتبط با سیالات و انتقال حرارت به واسطه تکنیک  دینامیک سیالات محاسباتی  و توسط نرم‌افزار‌های تخصصی کامپیوتری مانند FLUENT ،CFX ،  OPENFOAM  و ... صورت می‌پذیرد . استفاده از این نرم‌افزار‌ها به پیش‌زمینه علمی قوی نیاز دارد که  مهندسان حرارت و سیالات  با توجه به دانش کسب شده خود قادر به استفاده از آنها می‌باشند .

صنعت خودروسازی ، جزء مراکزی به حساب می‌آید که یک مهندس مکانیک به شوق فعالیت در آن تحصیل خود را آغاز می‌کند . این صنعت برای مهندسان گرایش حرارت و سیالات سرشار از فرصت‌های ناب جهت پیشرفت و کسب تجربه می‌باشد . بررسی احتراق داخل موتور‌ّهای بنزینی و گازوئیلی و تهیه مدل‌های جدید برای بهسوزی سوخت ، بهبود سیستم سوخت‌رسانی ، بهبود سیستم گردش آب ، ارزیابی سیستم روغن‌کاری ، همه و همه جزء مسائلی است که یک حرارت و سیالات را می‌تواند به سمت صنعت خودروسازی هدایت کند. در بخش نفت ، گاز و پتروشیمی ، گرایش حرارت و سیالات دارای نقش بی‌بدلی است ؛ در تمامی مراحل ، از طراحی تجهیزات گرفته تا بهره‌برداری از میدان‌های نفتی و گازی و پالایشگاه‌ها ‌مهندسان مکانیک سیالات می‌‌توانند به فعالیت بپردازند .

نیروگاه‌های حرارتی ، برق‌آبی ، هسته‌ای ، بادی و ... همگی نیازمند حضور بی‌وقفه مهندسان مکانیک حرارت و سیالات ، جهت طراحی تجهیزات ، بهره‌برداری از نیرو‌گاه و حتی بحث‌های تعمیر و نگه‌داری هستند . در کارخانه‌ها و صنایع ذوب‌آهن ، فولادسازی ، شیشه‌سازی ، تولید سیمان و مواردی از این دست که احتراق جزء جدایی‌ناپذیر فرآیند‌ّهای تولیدی محسوب می‌شود ، به مهندسان مکانیک گرایش حرارت و سیالات جهت طراحی و بهره‌برداری از مشعل‌ها ، کوره‌ها و بویلر‌ها نیاز است تا بتوانند با استفاده از آموخته‌های خود به پیچیده‌ترین مبحث سیالات و انتقال حرارت یعنی احتراق ، غلبه کنند . در فرآیند داروسازی ، شاهد استفاده از بیشترین حجم دستگاههای سرمایش و گرمایش مانند چیلر‌ها ، کندانسورها ، برج‌های خنک‌کن و ... هستیم . بر این اساس به مهندسان مکانیک حرارت و سیالات جهت مدلسازی ، طراحی ، تحلیل ، جانمایی ، بهره‌برداری و نگه‌داری این تجهیزات گرانبها در کلیه صنایع داروسازی احتیاج است . یک دفتر تأسیساتی (هر چند کوچک) ، جهت تهیه نقشه‌های اجرایی فاضلاب ، آبرسانی ، گازرسانی ، تهویه مطبوع ، آتشنشانی ، موتورخانه و ... به مهندسان حرارت و سیالات نیاز مبرم دارد .

 

تفاوت گرایش حرارت و سیالات با دیگر گرایش‌های رشته مکانیک :

رشته مکانیک به سه گرایش حرارت و سیالات ، طراحی جامدات و ساخت و تولید تقسیم‌بندی می‌شود . گرایش ساخت و تولید به طراحی ، مدلسازی و ساخت ماشین‌آلات و ابزارآلات می‌پردازد . دانشجویان گرایش ساخت و تولید نسبت به دو گرایش طراحی واحد‌های عملی بیشتری را می‌گذرانند . این گرایش مهندسی مکانیک ارتباط تنگاتنگی با رشته‌هایی مانند مهندسی مواد ، ابزار دقیق کنترل دارد . مهندسان ساخت و تولید باید درک مناسبی از شیوه‌های ساخت ماشین‌الات ، مواد اولیه مناسب جهت ساخت آنها و نیاز صنایع را همزمان داشته باشند تا قادر باشند همگام با توسعه تکنولوژی و پدید آمدن شیوه‌های جدید جوشکاری ، ریخته‌گری ، شکل‌دهی ، ریخته‌گری و ... در رفع نیاز‌های صنایع مختلف همچون خودروسازی ، ذوب‌آهن ، ریخته‌گری و ... قدم بردارند .

گرایش‌های طراحی سیالات و جامدات از جهات بسیاری با هم تشابه دارند . از لحاظ تئوری هر دو گرایش حرارت و سیالات ، از اصول نیروشناسی و دینامیک برای توصیف عملکرد سیستم استفاده می‌نمایند ؛ با این تفاوت که جامدات بر خلاف سیالات قادر به تحمل فشار (تنش‌ برشی) هستند ؛ در حالی که سیالات بر اثر تنش برشی جاری می‌شوند و مقاومت ناچیزی را در برابر تنش از خود نشان می‌دهند . همین امر نقطه سرآغازی برای ظهور معادلات و قوانین منحصر به فرد همچون معادلات ناویر-استوکس ، معادله اویلر ، معادله انرژي و ... جهت توصیف رفتار سیالات است .

گرایش طراحی جامدات را می‌توان به عنوان اتصال بین دو حوزه علم مواد و مکانیک کاربردی با تأکید بر مورد دوم تعریف کرد .طراحی جامدات  با مفاهیم تنش ، تغییر شکل و شکست مواد جامد سر وکار دارد . طراحی جامدات کاربردهای فراوانی دارد . مهندس گرایش طراحی جامدات با تحلیل و مدلسازی نیروها و گشتاورهای وارد بر یک ماشین طرح بهینه جهت ساخت و راه‌اندازی دستگاه را به وجود می‌آورد ؛ همچنین ، می‌تواند تدابیر لازم جهت به حداقل رساندن ارتعاشات دستگاه را پیش‌بینی کند . گرایش حرارت و سیالات نیز همان‌طور که از نامش پیدا است، با طراحی ، تحلیل و توصیف سیستم‌هایی که با سیالات و انتقال حرارت سر و کار دارند ، ارتباط می‌یابد .

با این وجود گرایش‌های مکانیک لازم و ملزوم یکدیگر هستند و در اکثر کاربردها نمی‌توان صرفاً به استفاده از یک گرایش تکیه نمود . به عنوان مثال در صنعت خودروسازی ، مدلسازی احتراق داخل موتور و محاسبه انرژی آزاد شده حاصل از احتراق بر عهده مهندس حرارت و سیالات است . تحلیل گیربکس ، دیفرانسیل و سیستم تعلیق و فرمان از مسئولیت‌های مهندس طراحی جامدات است.  مهندس ساخت و تولید هم به طراحی دستگاه‌های پرس هیدرولیکی و پنوماتیکی مورد نیاز جهت ساخت سیلندر ، میل بادامک ، گیربکس ، بدنه و ... می‌پردازد . البته فعالیت‌هایی را نیز می‌توان یافت که در آنها صرفاً به گرایش حرارت وسیالات نیاز باشد ، که طراحی تأسیسات و محاسبات تهویه مطبوع نمونه‌ای از آنها است . 

 

نرم‌افزار‌های مورد استفاده در گرایش حرارت و سیالات:

مهمترین نرم‌افزار‌هایی که یک مهندس مکانیک گرایش حرارت و سیالات بایستی با آنها آشنایی داشته باشد ، عبارتند از : انسیس فلوئنت  ، متلب  ، فرترن ( ، PDMS  Carrier  ، FLOW-3D و...)

 

آینده شغلی ، درآمد و بازار کار مهندسان گرایش حرارت و سیالات :

رشته مهندسی مکانیک و به خصوص گرایش حرارت و سیالات را می‌توان جزء جامع‌ترین و گسترده‌ترین رشته‌های دانشگاهی به حساب آورد . ارتباط گرایش حرارت و سیالات  با رشته‌هایی همچون مهندسی شیمی، مهندسی هوافضا  و ... فرصت فعالیت مهندسان این گرایش را در مشاغل بین‌رشته‌ای که شاید در نگاه اول غیر مرتبط با مهندسی مکانیک به نظر برسند را مهیا ساخته است . برای مثال می‌توان به فعالیت گسترده مهندسان مکانیک گرایش حرارت و سیالات در میدان‌های نفتی و گازی جنوب کشور ، پالایشگا‌ه‌ها ، پتروشیمی‌ها ، سازمان‌ هواپیمایی ، سازمان بنادر و کشتیرانی و ... اشاره نمود .

علاوه بر این، مشاغلی نیز وجود دارند که مسئولیت آنها صرفاً به عهده مهندسان حرارت و سیالات می‌باشد ؛ برای نمونه می‌توان به طراحی تأسیسات ساختمانی اشاره نمود . یکی جذابیت‌های گرایش حرارت و سیالات این است که فارغ‌التحصیلان این رشته می‌توانند بنا بر علایق شخصی و شرایط روحی و جسمی خود به فعالیت بپردازند . به عنوان مثال تحلیل جریان سیال و انتقال حرارت توسط تکنیک CFD جزء نیاز‌های اساسی صنایع می‌باشد . از آنجا که بخش عمده‌ این فعالیت تنها نیاز به یک رایانه شخصی دارد ، فرد می‌تواند در یک دفتر مهندسی و یا حتی در منزل خود کسب درآمد کند . در مقابل اگر مهندس حرارت و سیالات به کارهای عملی علاقه بیشتری داشته باشد ، می‌تواند در حوزه نیروگاهی که یکی از صنایع حیاتی کشور می‌باشد مشغول به کار شود. به طور خلاصه صنایعی که مهندسان مکانیک گرایش حرارت و سیالات می‌توانند در آنها به فعالیت بپردازند عبارتند از:

 

 خودروسازی ( طراحی سیستم احتراق، سوخت‌رسانی، گردش آب و ...)
نیروگاهی (حرارتی، برق‌آبی، هسته‌ای، خورشیدی، بادی)
نفت و گاز و پتروشیمی
هوانوردی (طراحی، مدلسازی و ساخت انواع پرنده‌ها)

نظامی (طراحی و ساخت ادوات نیروهای زمینی، هوایی و دریایی)
احتراقی (نیروگاه، ذوب‌آهن، تولید سیمان، شیشه‌سازی، ریخته‌گری و ...)
تأسیسات و تهویه مطبوع (اماکن مسکونی، تجاری، اداری، ورزشی و ...) 
دریایی (مدلسازی و ساخت انواع شناورها)
الکترونیک (طراحی سیستم‌های خنک‌کننده جدید برای پردازنده‌ها و چیپ‌های الکترونیکی)

 

موارد فوق تنها بخش کوچکی از فعالیت‌های مرتبط با گرایش حرارت و سیالات را تشکیل می‌دهد . مسلماً در مهندسی مکانیک نیز همچون سایر رشته‌ها ، خلاقیت و ابتکار حرف اول و آخر را می‌زند . بنابراین، یک مهندس مکانیک نباید صرفاً به سازمان‌ها و صنایع موجود متکی نباشد ؛ بلکه با تقویت توانایی‌های علمی و فنی خود سعی در نوآوری داشته باشد و بتواند ایده‌های خود را به واقعیت تبدیل کند .
درباره چشم‌انداز شغلی مهندسان مکانیک گرایش حرارت و سیالات باید گفت که با توجه به پیشرفت تکنولوژی این چشم‌انداز بسیار امیدوار کننده است . برای مثال در مورد فرصت‌های شغلی جدید در زمینه حرارت و سیالات باید گفت که سوخت‌های فسیلی دیر یا زود تمام می‌شوند و بشر بایستی با جدیت بیشتری به فکر استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشید ، باد و ... باشد .

این امر نیازمند طراحی و ساخت دقیق تجهیزات توسط مهندسان مکانیک است . از دیگر حوزه‌های قابل پیش‌بینی برای فعالیت مهندسان مکانیک حرارت و سیالات می‌توان به نانوتکنولوژی اشاره کرد . استفاده از نانو ذرات ( به بیان بهتر نانو سیالات) ، در مبدل‌های حرارتی برای افزایش تبادل حرارت در این تجهیزات ، مدتی است که توجه محققان را به خود جلب کرده است و به نظر می‌رسد که در آینده شاهد افزایش استفاده از آنها باشیم . 
در مورد میزان دریافتی مهندسان مکانیک می‌توان به گزارش ارائه شده از سوی اداره آمار نیروی کار آمریکا ( BLS)، که در ماه می ۲۰۱۵ منتشر شده است استناد کرد. بر اساس این گزارش ، میانگین حقوق سالانه مهندسان مکانیک برابر ۸۸۱۹۰ دلار می‌باشد و طی سال‌های ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۴، افزایش ۵ درصدی فرصت‌های شغلی برای مهندسان مکانیک پیش‌بینی شده است .