Akışkanlar Mekaniği

Akışkan kavramı, sürekli ortam yaklaşımı, yoğunluk, özgül ağırlık, özgül hacim, viskozite, yüzey gerilimi ve buhar basıncı gibi temel özellikler ele alınır. Akışkanların katılardan farkı, Newtonyen ve Newtonyen olmayan akışkan davranışları ve mühendislik problemlerinde uygun özellik seçimi fiziksel olarak yorumlanır.

Durgun akışkanlarda basınç değişimi, manometreler, hidrostatik kuvvetler ve kaldırma kuvveti incelenir. Düzlemsel ve eğrisel yüzeylere etkiyen basınç kuvveti, basınç merkezi, yüzen cisimlerin dengesi ve hidrostatik uygulamalar problem çözümüyle ele alınır. Rijit cisim hareketi yapan akışkanlar kapsamında doğrusal ivmeli ve dönme hareketi yapan kap/araç içerisindeki basınç dağılımı, serbest yüzey şekli ve sıvı yükselmesi problemleri de çalışılır.

Akışkan hareketi; Eulerian ve Lagrangian yaklaşımlar, hız alanı, ivme alanı, akım çizgisi, yörünge çizgisi, iz çizgisi, sistem ve kontrol hacmi kavramları üzerinden incelenir. Daimi–daimi olmayan akış, düzgün–düzgün olmayan akış, bir/iki/üç boyutlu akış, dönümlü–dönümsüz akış ve akış görselleştirme kavramları ele alınır. Akım çizgisi kavramı Bernoulli denkleminin fiziksel yorumu ile ilişkilendirilerek hız, basınç ve yükseklik değişimlerinin akış boyunca nasıl değerlendirildiği gösterilir.

Kontrol hacmi yaklaşımı kullanılarak akışkan sistemlerinde kütle, momentum ve enerji dengeleri kurulur. Reynolds Transport Teoremi (RTT) üzerinden sistem yaklaşımı ile kontrol hacmi yaklaşımı arasındaki ilişki açıklanır; standart ders akışında RTT'den yola çıkılarak süreklilik, momentum ve enerji denklemlerinin kontrol hacmi formu elde edilir. RTT'nin detaylı türetilmesi ise öğrencinin ihtiyacına göre seçmeli olarak ele alınır. Nozul, difüzör, boru, dirsek, jet ve akışkan kuvveti problemlerinde uygun kontrol hacmi seçimi ve denklemlerin fiziksel yorumu çalışılır.

Akış alanı diferansiyel eleman yaklaşımıyla incelenir. Reynolds Transport Teoremi'nden elde edilen integral denklemlerle bağlantı kurularak süreklilik, momentum ve enerji denklemlerinin diferansiyel formları yorumlanır. Euler denklemleri ve Navier–Stokes denklemlerinin temel yapısı, fiziksel anlamı ve viskoz etkilerle ilişkisi ele alınır. Viskoz etkilerin ihmal edildiği uygun koşullarda Euler denklemlerinden Bernoulli denkleminin nasıl elde edildiği gösterilir. Navier–Stokes denklemlerinin bazı özel ve yaklaşık çözümleri kapsamında Couette akışı, Poiseuille akışı ve basit kanal/boru akışı örnekleri problem çözümüyle çalışılır.

Boyut analizi, Buckingham Pi teoremi ve boyutsuz sayıların fiziksel anlamı ele alınır. Reynolds, Froude, Mach, Weber ve Euler sayıları gibi temel boyutsuz parametreler akışkanlar mekaniği problemleriyle ilişkilendirilir. Model–prototip benzerliği, geometrik/kinematik/dinamik benzerlik ve deneysel veri yorumlama problem çözümüyle çalışılır.

Boru içi akışlarda laminer ve türbülanslı akış rejimleri, Reynolds sayısı, gelişmiş akış, sürtünme faktörü ve yük kayıpları incelenir. Darcy–Weisbach denklemi, Moody diyagramı, minor kayıplar, seri–paralel boru sistemleri ve pompa destekli akış problemleri problem çözümüyle ele alınır.

Dalmış cisimler etrafındaki dış akış, sınır tabaka kavramı, sürükleme ve kaldırma kuvvetleri üzerinden incelenir. Düz plaka, silindir, küre ve kanat profili etrafındaki akışlarda basınç sürüklemesi, sürtünme sürüklemesi, ayrılma ve wake oluşumu fiziksel olarak yorumlanır. Aerodinamik katsayılar ve deneysel korelasyonlar temel düzeyde ele alınır.

Pompalar, türbinler, fanlar ve kompresörler türbomakine prensipleri çerçevesinde incelenir. Euler türbomakine denklemi, özgül hız, pompa karakteristik eğrileri, sistem eğrisi, çalışma noktası, verim ve güç hesabı problem çözümüyle çalışılır. Pompa seçiminde debi, basma yüksekliği, sistem eğrisi, çalışma noktası, NPSH ve kavitasyon riski gibi mühendislik kriterleri ele alınır. Türbomakinelerin akışkanlar mekaniği, enerji dönüşümü ve mühendislik uygulamalarıyla ilişkisi yorumlanır.

Boru sistemlerinde ani vana kapanması veya akış hızındaki hızlı değişimler sonucu oluşan geçici basınç dalgaları su darbesi kavramı üzerinden incelenir. Joukowsky basınç artışı, dalga hızı, boru elastisitesi, akışkan sıkıştırılabilirliği ve basınç salınımlarının fiziksel anlamı temel düzeyde ele alınır. Pompa–vana–boru sistemlerinde su darbesinin mühendislik açısından önemi ve basit önleme yaklaşımları tartışılır.

Sıkıştırılabilir akışın temel kavramları; Mach sayısı, ses hızı, durma özellikleri ve yoğunluk değişiminin akış davranışına etkisi üzerinden incelenir. İzentropik akış ilişkileri, nozul ve difüzörlerde hız–basınç–sıcaklık değişimleri ve boğulma kavramı temel düzeyde ele alınır. Bu bölüm, detaylı gaz dinamiği konularına geçiş için akışkanlar mekaniği altyapısını oluşturur.