مهندسی مکانیک گرایش حرارت و سیالات

نویسنده admin 1396/02/04 5 نظر مطالب,
مهندسی مکانیک گرایش حرارت و سیالات


مکانیک سیالات شاخه‌ای از مهندسی مکانیک 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 ، گرایش 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 ( CFD) و توسط نرم‌افزار‌های تخصصی کامپیوتری مانند Fluent ، CFX ، OpenFOAM‌ و ... صورت می‌پذیرد . استفاده از این نرم‌افزار‌ها به پیش‌زمینه علمی قوی نیاز دارد که مهندسان مکانیک 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 مهندس مکانیک گرایش 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 مکانیک گرایش 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 جامدات و حرارت و سیالات واحد‌های عملی بیشتری را می‌گذرانند . این گرایش مهندسی مکانیک ارتباط تنگاتنگی با رشته‌هایی مانند مهندسی مواد ، ابزار دقیق و 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 جامدات و حرارت و سیالات از جهات بسیاری با هم تشابه دارند . از لحاظ تئوری هر دو گرایش ، 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 و سیالات 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 (Ansys Fluent) ، Ansys CFX، اپن‌فوم (OpenFOAM) ، متلب  ، فرترن (Fortran) ، PDMS  Carrier  ، FLOW-3D و گمبیت (Gambit) .

 

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 .

برای مطالعه مقاله های آموزشی بیشتر می توانید با کلیک بر روی عنوان های زیر به مقاله های مربوطه هدایت شوید:

 

- آشنایی با نرم افزار Fortran

- آشنایی با کامپوزیت یا ماده مرکب

- مقدمه ای بر مدل سازی انتقال حرارت در نرم افزار Fluent

- آشنایی با نرم افزار Fluent

 

 

5 نظر

کورش:
1397/07/20, 08:07:57 PM, pepa.ir
پاسخ

سلام سایت خوبی دارید لطفا از سایت ما هم دیدن فرمایید http://www.pepa,ir

حسین:
1397/09/07, 02:09:59 PM, digiemc.com
پاسخ

مطالبتون عالی بود

رضا:
1397/09/30, 10:09:53 PM
پاسخ

درود بر مهندسی مکانیک سیالات .

صمد کاظمی:
1397/10/22, 08:10:01 PM
پاسخ

تعاریفی که شد جنبه های اصلی مهندسی مکانیک هستند ولی مطلب مهمی که به آن اشاره نمی گردد در رابطه با فرصت های کاری مهندسان مکانیک در ایران می باشو که اصولا به کارهای طراحی نمی پردازند ولی اکثرا درگیر کارهای اجرایی هستند

ساختمون 24:
1399/12/18, 03:12:24 PM, sakhtemooon24.ir
پاسخ

بازار کار مهندسان گرایش حرارت و سیالات روز به روز در حال بهتر شدن هست و این واقعا جای امیدواری دارد

افزودن نظر