प्रवाहों का वर्गीकरण: तरल, श्यानता, न्यूटनी व अन्यूटनी व्यवहार तथा प्रवाह व्यवस्थाएँ
2. श्यानता व न्यूटन का नियम, कूएट-अंतराल संख्यात्मकों सहित
श्यानता तरल का आंतरिक घर्षण है, यानी पास-पास की परतों की आपेक्षिक गति के प्रति उसका प्रतिरोध। ठोस दीवार पर तरल दीवार से चिपक जाता है (नो-स्लिप प्रतिबंध), इसलिए चलती पट्टिका अपने सटे तरल को खींचती है और वह परत अगली को। वेग u(y) वाले सरल अपरूपण हेतु न्यूटन का श्यानता नियम τ = μ du/dy है: τ अपरूपण प्रतिबल (Pa), du/dy वेग-प्रवणता (जो अपरूपण विकृति-दर के बराबर है, s⁻¹) और μ गतिक श्यानता (dynamic viscosity) है। शुद्धगतिक श्यानता (kinematic viscosity) ν = μ/ρ की इकाई m²/s है और यह बताती है कि संवेग तरल में कितनी तेज़ी से विसरित होता है। इकाइयाँ: μ, Pa·s = N·s/m² = kg/(m·s) में; 1 पॉइज़ = 0.1 Pa·s तथा 1 cP = 1 mPa·s; 1 स्टोक्स = 10⁻⁴ m²/s। 20 °C पर जल का μ ≈ 1.0 × 10⁻³ Pa·s व ν ≈ 1.0 × 10⁻⁶ m²/s है, वायु का μ ≈ 1.8 × 10⁻⁵ Pa·s व ν ≈ 1.5 × 10⁻⁵ m²/s।
तापमान। द्रव में अणु पास-पास होते हैं और अपरूपण का प्रतिरोध मुख्यतः संसंजक बलों से आता है; गर्म करने पर ये ढीले पड़ते हैं और μ तेज़ी से घटता है (मोटे तौर पर exp(B/T) की तरह)। गैस में अणु दूर-दूर होते हैं और अपरूपण प्रतिबल परतों के बीच आते-जाते अणुओं द्वारा संवेग ले जाने से बनता है; गर्म करने पर अणु तेज़ होते हैं, यह विनिमय बढ़ता है और μ बढ़ता है। साधारण दाबों पर गैस की श्यानता दाब पर लगभग निर्भर नहीं करती।
हल किया उदाहरण 1 (कूएट अंतराल)। दो बड़ी पट्टिकाएँ h = 2 mm की दूरी पर हैं और बीच में μ = 0.08 Pa·s का तेल है। ऊपरी पट्टिका, क्षेत्रफल 0.4 m², U = 1.5 m/s से चलती है और निचली स्थिर है। दाब-प्रवणता के बिना प्रोफ़ाइल रैखिक है, u = Uy/h, अतः du/dy = U/h = 1.5/0.002 = 750 s⁻¹। तब τ = μU/h = 0.08 × 750 = 60 Pa, जो पूरे अंतराल में समान है, और F = τA = 60 × 0.4 = 24 N।
हल किया उदाहरण 2 (घूमते शाफ़्ट पर पतली परत)। जब क्लीयरेंस c व्यास D से बहुत छोटा हो तो परत को खोलकर कूएट अंतराल मान सकते हैं: दीवार की चाल U = πDN/60, क्षेत्रफल πDL पर τ = μU/c, बल-आघूर्ण T = τ(πDL)(D/2) और शक्ति = Tω। D = 50 mm, N = 600 rpm, c = 0.25 mm, L = 80 mm व μ = 0.1 Pa·s हेतु: U = π × 0.05 × 10 = 1.571 m/s; τ = 0.1 × 1.571/0.00025 = 628 Pa; F = 628 × π × 0.05 × 0.08 = 7.90 N; T = 7.90 × 0.025 = 0.197 N·m; ω = 2π × 10 = 62.83 rad/s, अतः शक्ति = 0.197 × 62.83 = 12.4 W, जो पूरी की पूरी तेल में ऊष्मा बनकर क्षय होती है।
3. न्यूटनी व अन्यूटनी तरल
न्यूटनी तरल किसी तापमान व दाब पर एक स्थिर μ के साथ τ = μ du/dy का पालन करता है, अतः τ का अपरूपण-दर γ̇ = du/dy के विरुद्ध आलेख मूलबिंदु से जाती सीधी रेखा है। जल, वायु, अधिकांश गैसें, पतले तेल व सरल द्रव न्यूटनी हैं। अन्यूटनी तरल में अनुपात τ/γ̇, जिसे आभासी श्यानता (apparent viscosity) μ_app कहते हैं, γ̇ पर (और कभी-कभी समय पर) निर्भर करता है।
| मॉडल | नियम | आभासी श्यानता | व्यवहार व उदाहरण |
|---|---|---|---|
| न्यूटनी | τ = μγ̇ | μ, स्थिर | जल, वायु, पतले तेल |
| अपरूपण-पतलाव (स्यूडोप्लास्टिक) | τ = Kγ̇ⁿ, n < 1 | Kγ̇ⁿ⁻¹, γ̇ बढ़ने पर घटती है | बहुलक विलयन, रक्त, अनेक पेंट |
| अपरूपण-गाढ़ाव (डायलेटेंट) | τ = Kγ̇ⁿ, n > 1 | Kγ̇ⁿ⁻¹, γ̇ बढ़ने पर बढ़ती है | सघन कॉर्नस्टार्च-जल निलंबन |
| बिंघम प्लास्टिक | τ > τ_y पर τ = τ_y + μ_p γ̇; τ ≤ τ_y पर γ̇ = 0 | (τ_y + μ_p γ̇)/γ̇, μ_p की ओर घटती है | टूथपेस्ट, अनेक पेस्ट व कीचड़ |
घात-नियम (ऑस्टवाल्ड–डी वेले) मॉडल में K संगतता सूचकांक (इकाई Pa·sⁿ) और n प्रवाह-व्यवहार सूचकांक है; n = 1 पर न्यूटनी तरल मिलता है। बिंघम प्लास्टिक तब तक दृढ़ ठोस है जब तक प्रतिबल पराभव प्रतिबल τ_y से अधिक न हो, उसके बाद स्थिर प्लास्टिक श्यानता μ_p के साथ बहता है। कुछ तरल समय पर भी निर्भर करते हैं: थिक्सोट्रॉपिक तरल स्थिर अपरूपण में समय के साथ पतला होता है और विराम में लौट आता है, तथा श्यानप्रत्यास्थ तरल अपने विरूपण का एक भाग ठोस की तरह वापस पा लेता है।
हल किया उदाहरण 3 (घात-नियम)। एक बहुलक विलयन का K = 0.9 Pa·sⁿ व n = 0.5 है। γ̇ = 25 s⁻¹ पर: τ = 0.9 × 25^0.5 = 4.5 Pa तथा μ_app = τ/γ̇ = 0.18 Pa·s। γ̇ = 100 s⁻¹ पर: τ = 9 Pa तथा μ_app = 0.09 Pa·s। γ̇ चौगुना करने पर μ_app आधा हो जाता है, क्योंकि 4^(n−1) = 4^(−0.5) = 0.5, जबकि अपरूपण प्रतिबल दोगुना हो जाता है।
हल किया उदाहरण 4 (कूएट अंतराल में बिंघम प्लास्टिक)। τ_y = 12 Pa, μ_p = 0.3 Pa·s, अंतराल 4 mm, पट्टिका की चाल 0.2 m/s। कूएट अंतराल में अपरूपण प्रतिबल एकसमान होता है, अतः पट्टिका की चाल पूरे अंतराल को पराभूत होने को विवश करती है और γ̇ = U/h = 0.2/0.004 = 50 s⁻¹। तब τ = 12 + 0.3 × 50 = 27 Pa तथा μ_app = 27/50 = 0.54 Pa·s, जो μ_p से अधिक है। यदि लगाया प्रतिबल केवल 8 Pa (τ_y से कम) होता तो कुछ भी नहीं बहता।
4. श्यान बनाम अश्यान, असंपीड्य बनाम संपीड्य
श्यान प्रवाह में श्यानता से उत्पन्न अपरूपण प्रतिबल मायने रखते हैं; अश्यान प्रवाह मॉडल के रूप में μ = 0 रखता है, क्योंकि कोई वास्तविक तरल अश्यान नहीं है। यह मॉडल वहाँ चलता है जहाँ जड़त्व हावी हो, यानी बड़ी रेनॉल्ड्स संख्या पर और ठोस सतहों से दूर। दीवार पर श्यानता छोड़ी नहीं जा सकती: वही नो-स्लिप लागू कराती है और पतली सीमा-परत बनाती है। पिंड के ऊपर स्थायी, असंपीड्य, अघूर्णी प्रवाह हेतु अश्यान मॉडल शून्य कर्षण बताता है (डी’आलेम्बर का विरोधाभास), इसलिए कर्षण श्यान परत से ही आना होता है। आदर्श तरल वह है जो अश्यान व असंपीड्य दोनों हो।
प्रवाह तब असंपीड्य है जब प्रत्येक तरल कण का घनत्व चलते समय स्थिर रहे, Dρ/Dt = 0, जो ∇·V = 0 के समान है। यह प्रवाह का वर्णन है, तरल का नहीं: कम चाल पर वायु असंपीड्य है, जबकि जल वाटर-हैमर व ध्वनि तरंगों में संपीड्य है। गैसों हेतु कसौटी मैक संख्या M = V/c है, जहाँ V प्रवाह की चाल और c स्थानीय ध्वनि-वेग है: आदर्श गैस हेतु c = √(γRT) और आयतन-प्रत्यास्थता गुणांक K वाले द्रव हेतु c = √(K/ρ)। γ = 1.4 हेतु समएन्ट्रॉपिक रोध संबंध ρ₀/ρ = (1 + 0.2M²)^2.5 है, जो M = 0.3 पर 1.046 है, यानी लगभग 4.6 % परिवर्तन, और छोटे M पर परिवर्तन लगभग M²/2 है। परंपरा से M < 0.3 वाला प्रवाह असंपीड्य माना जाता है। 20 °C की वायु हेतु c ≈ 343 m/s, अतः 0.3 लगभग 103 m/s के संगत है।
हल किया उदाहरण 5 (मैक संख्या)। वायु (γ = 1.4, R = 287 J/kg·K) वहाँ 250 m/s से चलती है जहाँ T = 230 K है। तब c = √(1.4 × 287 × 230) = √92,414 = 304.0 m/s और M = 250/304.0 = 0.82। यह अवध्वनिक है पर 0.3 से बहुत अधिक, अतः घनत्व-परिवर्तन बड़े हैं और प्रवाह को संपीड्य मानना होगा। 20 °C की वायु में 30 m/s से चलती कार का M = 30/343 = 0.087 और घनत्व-परिवर्तन लगभग M²/2 = 0.4 % है: असंपीड्य।
5. आंतरिक बनाम बाह्य, स्थायी बनाम अस्थायी
आंतरिक प्रवाह चारों ओर दीवारों से घिरा होता है: पाइप, नलिकाएँ, चैनल व टर्बोमशीनों के मार्ग। दीवारें व अनुप्रस्थ-काट प्रवाह तय करती हैं और श्यान प्रभाव अंततः पूरे काट को भर देते हैं। बाह्य प्रवाह मूलतः असीमित धारा में किसी पिंड (वायुपर्ण, कार, भवन, गोला) के चारों ओर विकसित होता है: श्यानता सीमा-परत व वेक में सीमित रहती है और रुचि की राशियाँ कर्षण व उत्थापन हैं।
प्रवाह स्थायी है जब हर स्थिर बिंदु पर गुणधर्म समय के साथ नहीं बदलते, ∂/∂t = 0; अन्यथा वह अस्थायी है। स्थायी का अर्थ एकसमान नहीं है; एकसमान का अर्थ है किसी क्षण सभी बिंदुओं पर वही वेग: स्थायी प्रवाह में भी तरल कण नोज़ल से गुज़रते समय त्वरित होता है। स्थायित्व प्रेक्षक पर भी निर्भर है। स्थिर तरल में नियत वेग से चलता पिंड भू-प्रेक्षक हेतु अस्थायी प्रवाह बनाता है पर पिंड के निर्देश-तंत्र में स्थायी, इसीलिए पवन-सुरंग में मॉडल स्थिर रखा जाता है। विक्षुब्ध प्रवाह अपने तात्क्षणिक मानों में अस्थायी होता है पर समय-औसत मान स्थिर हों तो उसे स्थायी कहा जाता है।
6. स्तरीय व विक्षुब्ध प्रवाह: रेनॉल्ड्स संख्या
स्तरीय प्रवाह में तरल चिकनी परतों में चलता है और परतों के बीच मिश्रण केवल आणविक होता है। विक्षुब्ध प्रवाह में वेग व दाब अनियमित रूप से घटते-बढ़ते हैं और अनेक आमापों के भँवर संवेग, ऊष्मा व द्रव्यमान को आणविक विसरण से कहीं तेज़ी से प्रवाह के आर-पार ले जाते हैं। समान माध्य वेग पर विक्षुब्ध पाइप-प्रवाह का क्रोड-प्रोफ़ाइल अधिक चपटा, दीवार पर प्रवणता अधिक तीव्र, और इसलिए दीवार पर अपरूपण प्रतिबल व घर्षण स्तरीय प्रवाह से अधिक होता है, तथा वह मिश्रण व ऊष्मा-अंतरण में बेहतर है।
रेनॉल्ड्स संख्या Re = ρVL/μ = VL/ν जड़त्व बलों व श्यान बलों का अनुपात है। पाइप-प्रवाह हेतु L = D और V माध्य वेग Q/A है। परंपरा से प्रवाह Re ≈ 2300 से नीचे स्तरीय (कुछ पुस्तकें 2000 लेती हैं), लगभग 4000 तक संक्रमणकालीन और उसके ऊपर विक्षुब्ध माना जाता है। ये परिपाटियाँ हैं, प्रकृति के स्थिरांक नहीं: क्रांतिक मान प्रवेश-विक्षोभ, खुरदुरेपन व कंपन पर निर्भर है, और बहुत शांत उपकरण में स्तरीय प्रवाह कहीं अधिक Re तक बनाए रखा गया है। समतल पट्टिका पर सीमा-परत में संक्रमण परंपरा से Re_x ≈ 5 × 10⁵ के निकट लिया जाता है। अवृत्ताकार नलिका हेतु द्रवचालित व्यास (hydraulic diameter) D_h = 4A/P लें, जहाँ A प्रवाह-क्षेत्र व P भीगा परिमाप है।
हल किया उदाहरण 6 (अधिकतम स्तरीय प्रवाह)। 20 mm पाइप में जल (ρ = 1000 kg/m³, μ = 1.0 × 10⁻³ Pa·s) Re = 2300 तक स्तरीय रहता है। V = Reμ/(ρD) = 2300 × 10⁻³/(1000 × 0.02) = 0.115 m/s और Q = V × πD²/4 = 0.115 × 3.142 × 10⁻⁴ = 3.61 × 10⁻⁵ m³/s ≈ 36 mL/s, जो अत्यल्प प्रवाह है; साधारण जल-पाइपों में विक्षुब्ध प्रवाह चलता है।
हल किया उदाहरण 7 (नियत प्रवाह-दर पर Re)। V = 4Q/(πD²), अतः Re = ρVD/μ = 4ρQ/(πμD): नियत Q पर Re ∝ 1/D, और व्यास दोगुना करने पर Re आधा हो जाता है। हल किया उदाहरण 8 (नलिका)। 0.3 m × 0.1 m नलिका में 6 m/s पर वायु (ν = 1.5 × 10⁻⁵ m²/s): A = 0.03 m², P = 0.8 m, D_h = 4 × 0.03/0.8 = 0.15 m और Re = 6 × 0.15/(1.5 × 10⁻⁵) = 6.0 × 10⁴, जो विक्षुब्ध है।
मुख्य बिंदु
- तरल किसी भी अपरूपण प्रतिबल में लगातार विरूपित होता है और विराम में अपरूपण नहीं सहता; Kn ≪ 1 पर उसे सांतत्य माना जाता है, दीवारों पर नो-स्लिप के साथ।
- न्यूटन का नियम τ = μ du/dy है, μ Pa·s में और ν = μ/ρ m²/s में; ताप बढ़ने पर द्रव की श्यानता घटती व गैस की बढ़ती है; कूएट अंतराल में τ = μU/h व F = τA।
- घात-नियम तरल में τ = Kγ̇ⁿ व μ_app = Kγ̇ⁿ⁻¹ होता है: n < 1 पर अपरूपण-पतलाव, n > 1 पर अपरूपण-गाढ़ाव। बिंघम प्लास्टिक τ_y से नीचे दृढ़ है और उससे ऊपर τ = τ_y + μ_p γ̇।
- असंपीड्य प्रवाह का अर्थ Dρ/Dt = 0 (∇·V = 0) है, जो प्रवाह का गुण है; गैस की कसौटी M = V/c < 0.3 है, c = √(γRT), और M = 0.3 पर घनत्व-परिवर्तन लगभग 4.6 % है।
- अश्यान प्रवाह एक मॉडल है जो बड़े Re पर सीमा-परतों के बाहर मान्य है। स्थायी का अर्थ स्थिर बिंदु पर ∂/∂t = 0 है और यह प्रेक्षक पर निर्भर है; स्थायी एकसमान नहीं है; आंतरिक प्रवाह दीवारों से घिरे और बाह्य प्रवाह पिंड को घेरे होते हैं।
- Re = ρVD/μ जड़त्व बल को श्यान बल से भाग देने पर मिलता है; पाइप-प्रवाह परंपरा से लगभग 2300 से नीचे स्तरीय और लगभग 4000 से ऊपर विक्षुब्ध है; नलिकाओं हेतु D_h = 4A/P लें, और नियत प्रवाह-दर पर Re ∝ 1/D।
अभ्यास प्रश्न (18)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
निम्नलिखित में से कौन-सा कथन तरल को ठोस से सही ढंग से अलग करता है?
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उत्तर: C — तरल पर कितना भी सूक्ष्म अपरूपण प्रतिबल लगा हो, जब तक वह लगा रहता है तरल विरूपित होता रहता है
तरल का परिभाषक गुण किसी भी बने रहने वाले अपरूपण प्रतिबल में सतत विरूपण है। विराम में तरल अभिलंब प्रतिबल, यानी दाब, सह सकता है, इसलिए यह दावा कि वह किसी भी प्रकार का प्रतिबल नहीं सहता, आकर्षक पर गलत है: विराम में केवल अपरूपण प्रतिबल का शून्य होना आवश्यक है। तरल संपीड्य हो सकते हैं और वास्तविक तरल श्यान होते हैं, अतः स्थिर घनत्व व शून्य श्यानता परिभाषक गुण नहीं हैं।वायुमंडलीय दाब पर द्रव जल और वायु दोनों का तापमान 20 °C से 60 °C किया जाता है। उनकी गतिक श्यानताएँ कैसे बदलती हैं?
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उत्तर: B — जल की श्यानता घटती है, जबकि वायु की बढ़ती है
द्रव में अपरूपण प्रतिरोध मुख्यतः पास-पास के अणुओं के संसंजन से आता है, जिसे गर्म करना कमज़ोर करता है, अतः μ घटता है। गैस में वह परतों के बीच आते-जाते व संवेग ले जाते अणुओं से आता है, जो गर्म करने पर तेज़ होते हैं, अतः μ बढ़ता है। गैस की क्रियाविधि को द्रव पर लगाना आकर्षक भूल है: वह वायु को समझाती है, जल को नहीं।2 mm दूरी पर दो बड़ी समांतर पट्टिकाओं के बीच गतिक श्यानता 0.08 Pa·s का तेल है। ऊपरी पट्टिका का भीगा क्षेत्रफल 0.4 m² है और वह स्थिर निचली पट्टिका के सापेक्ष 1.5 m/s से चलती है। रैखिक वेग-प्रोफ़ाइल व दाब-प्रवणता का अभाव मानिए। ऊपरी पट्टिका को चलाने हेतु आवश्यक बल ____ N है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 24
वेग-प्रवणता du/dy = U/h = 1.5/0.002 = 750 s⁻¹। अपरूपण प्रतिबल τ = μ du/dy = 0.08 × 750 = 60 Pa। बल F = τA = 60 × 0.4 = 24 N। अंतराल को m में बदले बिना mm में प्रयोग करना प्रचलित भूल है।50 mm व्यास का एक शाफ़्ट 80 mm लंबे संकेंद्री स्थिर स्लीव के भीतर 600 rpm से घूमता है। 0.25 mm का अरीय क्लीयरेंस गतिक श्यानता 0.1 Pa·s के तेल से भरा है। परत को रैखिक वेग-प्रोफ़ाइल वाला कूएट अंतराल मानिए और सिरों के प्रभाव की उपेक्षा कीजिए। तेल में क्षयित शक्ति ____ W (एक दशमलव स्थान तक) है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 12.4
सतही चाल U = πDN/60 = π × 0.05 × 600/60 = 1.5708 m/s। τ = μU/c = 0.1 × 1.5708/0.00025 = 628.3 Pa। क्षेत्रफल = πDL = π × 0.05 × 0.08 = 0.012566 m², अतः F = 7.896 N। बल-आघूर्ण T = F × D/2 = 7.896 × 0.025 = 0.1974 N·m। ω = 2π × 10 = 62.83 rad/s, अतः शक्ति = Tω = 12.40 W। जाँच: P = Fv = 7.896 × 1.5708 = 12.40 W।एक तरल घात-नियम τ = Kγ̇ⁿ का पालन करता है, n = 0.5 के साथ। स्थिर तापमान पर अपरूपण-दर 4 गुना की जाती है। उसकी आभासी श्यानता का क्या होगा?
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उत्तर: D — वह आधी हो जाती है, क्योंकि μ_app = Kγ̇ⁿ⁻¹ और 4⁻⁰·⁵ = 0.5
आभासी श्यानता τ/γ̇ = Kγ̇ⁿ⁻¹ है। n = 0.5 हेतु वह γ̇^(−0.5) की तरह बदलती है, अतः γ̇ चौगुना करने पर वह 1/2 से गुणित होती है। आकर्षक उत्तर प्रतिबल को श्यानता से मिला देता है: प्रतिबल सचमुच दोगुना होता है (4^0.5 = 2), पर प्रतिबल व दर का अनुपात आधा हो जाता है। K व n स्थिरांक हैं, पर μ_app नहीं।एक बिंघम प्लास्टिक का पराभव प्रतिबल 12 Pa और प्लास्टिक श्यानता 0.3 Pa·s है। वह एक स्थिर पट्टिका व 0.2 m/s से चलती पट्टिका के बीच 4 mm के अंतराल को भरता है, और पूरा अंतराल रैखिक वेग-प्रोफ़ाइल के साथ अपरूपित होता है। आभासी श्यानता, जो अपरूपण प्रतिबल को अपरूपण-दर से भाग देकर परिभाषित है, ____ Pa·s (दो दशमलव स्थान तक) है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 0.54
अपरूपण-दर γ̇ = U/h = 0.2/0.004 = 50 s⁻¹। बिंघम नियम: τ = τ_y + μ_p γ̇ = 12 + 0.3 × 50 = 27 Pa। आभासी श्यानता = τ/γ̇ = 27/50 = 0.54 Pa·s। 0.3 (प्लास्टिक श्यानता) उत्तर देना पराभव-प्रतिबल का योगदान τ_y/γ̇ = 0.24 Pa·s भूल जाना है।अपरूपण-गाढ़ाव (डायलेटेंट) तरल पर निम्नलिखित में से कौन-सा वर्णन ठीक बैठता है?
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उत्तर: A — अपरूपण-दर बढ़ने पर उसकी आभासी श्यानता बढ़ती है, जैसे n > 1 वाले घात-नियम तरल में
अपरूपण-गाढ़ाव तरल में μ_app = Kγ̇ⁿ⁻¹ और n > 1 होता है, अतः μ_app अपरूपण-दर के साथ बढ़ती है (सघन कॉर्नस्टार्च निलंबन मानक उदाहरण है)। γ̇ के साथ μ_app का घटना अपरूपण-पतलाव है, पराभव-प्रतिबल वाला वर्णन बिंघम प्लास्टिक का है, और दर-स्वतंत्र श्यानता न्यूटनी तरल की है।10 Pa पराभव प्रतिबल व प्लास्टिक श्यानता μ_p वाला एक बिंघम प्लास्टिक पतली परत में है जिसमें अपरूपण प्रतिबल हर जगह 6 Pa है। पदार्थ क्या करता है?
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उत्तर: C — वह नहीं बहता: वह शून्य अपरूपण-दर वाले दृढ़ ठोस की तरह व्यवहार करता है
बिंघम नियम τ ≤ τ_y पर γ̇ = 0 देता है। चूँकि 6 Pa पराभव प्रतिबल 10 Pa से कम है, कोई अपरूपण नहीं होता और परत दृढ़ पिंड की तरह चलती है। सूत्र γ̇ = (τ − τ_y)/μ_p केवल पराभव के ऊपर लागू होता है; पराभव के नीचे लगाने पर ऋणात्मक, अर्थहीन दर मिलती है, जो आकर्षक विकल्पों की भूल है।श्यानता के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?
उत्तर देखें
उत्तर: A — शुद्धगतिक श्यानता ν = μ/ρ की SI इकाई m²/s है; B — 1 पॉइज़ 0.1 Pa·s के बराबर है
ν = μ/ρ की इकाई (kg/m·s)/(kg/m³) = m²/s है, और 1 पॉइज़ = 1 g/(cm·s) = 0.1 Pa·s। गैस की श्यानता तापमान के साथ बढ़ती है, और द्रव की श्यानता मुख्यतः संसंजन से आती है व तापमान के साथ घटती है, अतः शेष दो कथन गलत हैं।एक दृढ़ पिंड स्थिर तरल की विशाल मात्रा में नियत वेग से चलता है। प्रवाह को चिकना, बिना विक्षुब्ध उच्चावचनों के, आदर्शीकृत कीजिए। प्रवाह का वर्गीकरण कैसे होगा?
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उत्तर: B — भूमि पर स्थिर प्रेक्षक हेतु अस्थायी, पर पिंड के साथ चलते प्रेक्षक हेतु स्थायी
भू-प्रेक्षक देखता है कि पिंड के गुज़रने पर किसी स्थिर बिंदु पर वेग बदलता है, अतः ∂/∂t ≠ 0 और प्रवाह अस्थायी है। पिंड के निर्देश-तंत्र में पैटर्न स्थिर है और आती धारा स्थायी है। पिंड का नियत वेग भू-तंत्र के प्रवाह को स्थायी नहीं बनाता; स्थायित्व चुने हुए निर्देश-तंत्र के स्थिर बिंदुओं पर प्रवाह-क्षेत्र के बारे में है। प्रवाह एकसमान भी नहीं है, क्योंकि वेग एक बिंदु से दूसरे बिंदु पर बदलता है।1000 kg/m³ घनत्व व 1.0 × 10⁻³ Pa·s गतिक श्यानता का जल 20 mm व्यास के वृत्ताकार पाइप में बहता है। प्रवाह को Re = 2300 तक स्तरीय मानिए, जहाँ Re माध्य वेग व व्यास पर आधारित है। जिस सबसे बड़ी प्रवाह-दर तक प्रवाह स्तरीय रहता है वह ____ mL/s (निकटतम पूर्णांक तक) है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 36
Re = ρVD/μ = 2300 से V = 2300 × 10⁻³/(1000 × 0.02) = 0.115 m/s। क्षेत्रफल = π(0.02)²/4 = 3.1416 × 10⁻⁴ m²। Q = VA = 3.613 × 10⁻⁵ m³/s = 36.1 mL/s, अतः 36। Q = Re π D μ/(4ρ) = 2300 × π × 0.02 × 10⁻³/4000 = 3.613 × 10⁻⁵ m³/s से जाँच।तेल को नियत आयतनी प्रवाह-दर Q पर वृत्ताकार पाइप से पंप किया जाता है। पाइप को दोगुने व्यास वाले पाइप से बदल दिया जाता है और तेल का तापमान अपरिवर्तित है। पाइप-व्यास पर आधारित रेनॉल्ड्स संख्या किस गुणक से बदलती है?
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उत्तर: A — वह आधी हो जाती है, क्योंकि Re = 4ρQ/(πμD) नियत Q पर D के व्युत्क्रमानुपाती है
नियत Q पर माध्य वेग V = 4Q/(πD²) है, अतः Re = ρVD/μ = 4ρQ/(πμD)। D दोगुना करने पर Re आधी हो जाती है। आकर्षक उत्तर केवल स्पष्ट D गिनता है और भूल जाता है कि वेग घटकर चौथाई रह जाता है; चौथाई वाला उत्तर इसका उलटा करता है और स्पष्ट D भूल जाता है।प्रवाहों के वर्गीकरण के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — पाइप में बहता जल आंतरिक प्रवाह है, जबकि भवन के पास से बहती वायु बाह्य प्रवाह है; B — नियत व्यास के लंबे पाइप में, जिसका प्रवाह वाल्व खोलकर लगातार बढ़ाया जा रहा हो, प्रवाह अस्थायी है
पाइप-प्रवाह दीवारों से घिरा (आंतरिक) है और भवन के चारों ओर का प्रवाह असीमित (बाह्य) है। बढ़ता प्रवाह मतलब स्थिर बिंदु पर वेग समय के साथ बदलता है, अतः प्रवाह अस्थायी है। स्थायी प्रवाह में भी संवहनी त्वरण हो सकता है, जैसे नोज़ल में, और एकसमान प्रवाह अस्थायी हो सकता है, जैसे बढ़ते प्रवाह वाले पाइप में, इसलिए शून्य कण-त्वरण वाला कथन और एकसमान प्रवाह के स्थायी होने वाला कथन, दोनों विफल होते हैं।20 °C की वायु, जिसमें ध्वनि-वेग 343 m/s है, कार के पास से 60 m/s पर बहती है। M < 0.3 होने पर प्रवाह को असंपीड्य मानिए, जो प्रचलित परिपाटी है। कौन-सा कथन सही है?
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उत्तर: D — असंपीड्य अच्छा मॉडल है: M = 60/343 = 0.175, जो 0.3 से कम है, और घनत्व-परिवर्तन लगभग M²/2 ≈ 1.5 % है
M = 60/343 = 0.175, जो 0.3 से बहुत कम है, अतः प्रवाह असंपीड्य माना जाता है। घनत्व-परिवर्तन की कोटि M²/2 = 0.0153, यानी लगभग 1.5 % है, M स्वयं नहीं: मैक संख्या भिन्नात्मक घनत्व-परिवर्तन नहीं है, जो उस विकल्प की भूल है जो मैक संख्या को घनत्व-परिवर्तन के बराबर मानता है। गैस होने से प्रवाह संपीड्य नहीं हो जाता, और 0.1 कथित परिपाटी नहीं है।संपीड्यता के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — प्रवाह असंपीड्य तब है जब ∇·V = 0 हो, जो द्रव के साथ गैस हेतु भी हो सकता है; C — सीमा M < 0.3 समएन्ट्रॉपिक संबंध से लगभग 5 % या उससे कम घनत्व-परिवर्तन के संगत है
असंपीड्यता ∇·V = 0 है, जो प्रवाह के बारे में कथन है, और γ = 1.4 हेतु M = 0.3 पर रोध घनत्व-परिवर्तन 4.6 % है। वाटर-हैमर में जल संपीड्य है, जहाँ परिमित ध्वनि-वेग (लगभग 1.5 km/s) दाब-तरंग को नियंत्रित करता है। M = 0.8 पर समएन्ट्रॉपिक अनुपात ρ₀/ρ = (1 + 0.2 × 0.64)^2.5 = 1.35 है, यानी लगभग 35 % परिवर्तन, 5 % से बहुत दूर।वायु को γ = 1.4 व R = 287 J/kg·K वाली आदर्श गैस मानिए, जो ऐसे बिंदु पर 250 m/s से बहती है जहाँ उसका स्थैतिक तापमान 230 K है। स्थानीय मैक संख्या ____ (दो दशमलव स्थान तक) है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 0.82
ध्वनि-वेग c = √(γRT) = √(1.4 × 287 × 230) = √92,414 = 304.0 m/s। मैक संख्या M = V/c = 250/304.0 = 0.822, अतः 0.82। 230 K के स्थान पर 340 m/s या समुद्र-तल का तापमान लेना प्रचलित भूल है।वृत्ताकार पाइप में स्तरीय व विक्षुब्ध प्रवाह के बारे में कौन-सा कथन सही है?
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उत्तर: C — लगभग 2300 व 4000 की सीमाएँ परंपरा हैं: संक्रमण प्रवेश-विक्षोभ व खुरदुरेपन पर निर्भर करता है
2300 व 4000 की सीमाएँ प्रारूपिक व्यावसायिक स्थितियों की परिपाटियाँ हैं; बहुत शांत प्रवेश में स्तरीय प्रवाह कहीं अधिक Re तक बनाए रखा गया है, और प्रबल विक्षोभ विक्षुब्धता को पहले भी भड़का सकते हैं। विक्षुब्ध प्रवाह में समान माध्य वेग पर दीवार-प्रवणता अधिक तीव्र और दीवार पर अपरूपण प्रतिबल अधिक होता है। Re जड़त्व बल बनाम श्यान बल है, अतः छोटे Re का अर्थ श्यानता का हावी होना है, जो उस कथन को उलट देता है कि छोटे Re पर जड़त्व हावी होता है।वायु बहुत उच्च रेनॉल्ड्स संख्या पर एक धारारेखित पिंड के ऊपर बहती है। किस क्षेत्र में अश्यान-प्रवाह मॉडल स्वीकार्य सन्निकटन है?
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उत्तर: B — पतली सीमा-परत व वेक के बाहर के क्षेत्र में, जहाँ वेग-प्रवणताएँ छोटी हैं
श्यान प्रतिबल μ व वेग-प्रवणता का गुणनफल है। पतली सीमा-परत व वेक के बाहर प्रवणताएँ छोटी हैं, अतः श्यान प्रतिबल नगण्य है और अश्यान मॉडल अच्छे दाब-वितरण देता है। सीमा-परत के भीतर प्रवणता बड़ी है, इसलिए वहाँ श्यानता महत्त्वपूर्ण है; और दीवार पर नो-स्लिप अश्यान मॉडल से पूरा नहीं हो सकता। उच्च Re श्यान क्षेत्र को पतला करता है, उसे मिटाता नहीं।