التدفق الصفائحي

التدفق الصفائحي ( يُلفظ / ˈlæmɪnər / ) هو خاصية جزيئات المائع في ديناميكا الموائع ، حيث تتحرك بسلاسة في مسارات طبقية، وتتجاوز كل طبقة الطبقات المجاورة لها بسلاسة مع اختلاط ضئيل أو معدوم. [ ^{1 ] عند السرعات المنخفضة} ، يميل المائع إلى التدفق دون اختلاط جانبي ، وتنزلق الطبقات المتجاورة فوق بعضها البعض بسلاسة. لا توجد تيارات عرضية عمودية على اتجاه التدفق، ولا دوامات أو دوامات في السوائل. ^{[ 2 ]} في التدفق الصفائحي، تكون حركة جزيئات المائع منتظمة للغاية، حيث تتحرك الجزيئات القريبة من سطح صلب في خطوط مستقيمة موازية لذلك السطح. ^{[ 3 ]} التدفق الصفائحي هو نظام تدفق يتميز بانتشار الزخم العالي وحمل الزخم المنخفض .

عندما يتدفق سائل عبر قناة مغلقة، كأنبوب أو بين لوحين مسطحين، قد يحدث أحد نوعين من التدفق، وذلك تبعًا لسرعة ولزوجة السائل : التدفق الصفائحي أو التدفق المضطرب . يحدث التدفق الصفائحي عند سرعات منخفضة، دون عتبة معينة يتحول عندها التدفق إلى تدفق مضطرب. تُحدد سرعة العتبة بواسطة معامل لا بُعدي يُسمى عدد رينولدز ، والذي يُميز التدفق، ويعتمد أيضًا على لزوجة وكثافة السائل وأبعاد القناة. أما التدفق المضطرب فهو نظام تدفق أقل انتظامًا، يتميز بوجود دوامات أو حزم صغيرة من جزيئات السائل، مما يؤدي إلى اختلاط جانبي. ^{[ 2 ]} بعبارة أخرى، التدفق الصفائحي سلس ، بينما التدفق المضطرب خشن .

يُعدّ نوع التدفق الحاصل في سائل داخل قناةٍ ما عاملاً هاماً في مسائل ديناميكا الموائع، ويؤثر بالتالي على انتقال الحرارة والكتلة في أنظمة الموائع. ويُعتبر عدد رينولدز، وهو مُعاملٌ لا بُعدي، مُعاملاً هاماً في المعادلات التي تُحدد ما إذا كانت ظروف التدفق المُتطور بالكامل تُؤدي إلى تدفقٍ صفائحي أو مُضطرب. يُعرّف عدد رينولدز بأنه نسبة قوة القصور الذاتي إلى قوة القص في السائل: أي سرعة حركة السائل مُقارنةً بلزوجته ، بغض النظر عن حجم نظام المائع. يحدث التدفق الصفائحي عادةً عندما يتحرك السائل ببطء أو عندما يكون شديد اللزوجة. ومع ازدياد عدد رينولدز، كما هو الحال عند زيادة معدل تدفق السائل، يتحول التدفق من صفائحي إلى مُضطرب ضمن نطاق مُحدد من أعداد رينولدز، ويعتمد نطاق التحول بين التدفق الصفائحي والمُضطرب على مستويات الاضطراب الطفيفة في السائل أو العيوب في نظام التدفق. إذا كان رقم رينولدز صغيرًا جدًا، أقل بكثير من 1، فإن السائل سيُظهر تدفق ستوكس ، أو التدفق الزاحف، حيث تهيمن قوى اللزوجة للسائل على قوى القصور الذاتي.

يعتمد الحساب الدقيق لرقم رينولدز، والقيم التي يحدث عندها التدفق الصفائحي، على هندسة نظام التدفق ونمطه. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك التدفق عبر أنبوب ، حيث يُعرَّف رقم رينولدز على النحو التالي:

${\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho uD_{\text{H}}}{\mu }}={\frac {uD_{\text{H}}}{\nu }}={\frac {QD_{\text{H}}}{\nu A}},}$

أين:

D _H هو القطر الهيدروليكي للأنبوب(م)؛

Q هو معدل التدفق الحجمي (م ³ /ث)؛

A هي مساحة المقطع العرضي للأنبوب (م ² )؛

u هي السرعة المتوسطة للسائل ( وحدات النظام الدولي للوحدات : م/ث)؛

μ هي اللزوجة الديناميكية للسائل (Pa·s = N·s/m ² = kg/(m·s))؛

ν هي اللزوجة الحركية للسائل، ν = ⁠ μ / ρ ⁠ (م ² /ث)؛

ρ هي كثافة السائل (كجم/م ³ ).

بالنسبة لهذه الأنظمة، يحدث التدفق الصفائحي عندما يكون رقم رينولدز أقل من قيمة حرجة تبلغ حوالي 2040، على الرغم من أن نطاق الانتقال عادة ما يكون بين 1800 و 2100. ^{[ 4 ]}

بالنسبة للأنظمة السائلة التي تحدث على أسطح خارجية، مثل التدفق حول أجسام معلقة في السائل، يمكن استخدام تعريفات أخرى لأرقام رينولدز للتنبؤ بنوع التدفق حول الجسم. على سبيل المثال، يُستخدم رقم رينولدز للجسيمات (Re_{_p)} للجسيمات المعلقة في السوائل المتدفقة. وكما هو الحال في التدفق داخل الأنابيب، يحدث التدفق الصفائحي عادةً عند أرقام رينولدز المنخفضة، بينما يحدث التدفق المضطرب والظواهر المرتبطة به، مثل انفصال الدوامات ، عند أرقام رينولدز المرتفعة.

يُعدّ التدفق الصفائحي أحد التطبيقات الشائعة للتدفق السلس لسائل لزج عبر أنبوب. في هذه الحالة، تتراوح سرعة التدفق من الصفر عند الجدران إلى أقصى قيمة لها على طول مركز المقطع العرضي للأنبوب. ويمكن حساب شكل التدفق الصفائحي في الأنبوب بتقسيم التدفق إلى عناصر أسطوانية رقيقة وتطبيق قوة اللزوجة عليها. ^{[ 5 ]}

مثال آخر هو تدفق الهواء فوق جناح الطائرة . الطبقة الحدية عبارة عن طبقة رقيقة جدًا من الهواء تغطي سطح الجناح (وجميع أسطح الطائرة الأخرى). ولأن الهواء يتمتع بلزوجة ، فإن هذه الطبقة تميل إلى الالتصاق بالجناح. ومع تحرك الجناح للأمام في الهواء، تتدفق الطبقة الحدية في البداية بسلاسة فوق الشكل الانسيابي للجناح . هنا، يكون التدفق انسيابيًا، والطبقة الحدية انسيابية أيضًا. وقد طبق براندتل مفهوم الطبقة الحدية الانسيابية على الأجنحة في عام 1904. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

ومن الأمثلة اليومية على ذلك التدفق البطيء والسلس والشفاف بصرياً للمياه الضحلة فوق حاجز أملس. ^{[ 8 ]}

عندما يخرج الماء من صنبور بدون مهوية وبقوة قليلة، فإنه يتدفق في البداية بشكل انسيابي، ولكن مع تسارعه بفعل قوة الجاذبية، يزداد رقم رينولدز للتدفق مع السرعة، وقد يتحول التدفق الانسيابي للماء أسفل الصنبور إلى تدفق مضطرب. عندئذٍ تقل الشفافية البصرية أو تنعدم تمامًا.

يُستخدم التدفق الهوائي الصفائحي لفصل أحجام الهواء، أو لمنع دخول الملوثات المحمولة جوًا إلى منطقة معينة. وتُستخدم أغطية التدفق الصفائحي لاستبعاد الملوثات من العمليات الحساسة في مجالات العلوم والإلكترونيات والطب. كما تُستخدم الستائر الهوائية بكثرة في المنشآت التجارية لمنع مرور الهواء الساخن أو المبرد عبر المداخل. ومفاعل التدفق الصفائحي (LFR) هو مفاعل يستخدم التدفق الصفائحي لدراسة التفاعلات الكيميائية وآليات العمليات. وقد طوّر بيال وآخرون عام 1971 تصميمًا للتدفق الصفائحي لتربية الفئران بهدف إدارة الأمراض، وأصبح هذا التصميم معيارًا عالميًا ^{[ 9 ]،} بما في ذلك في دول الكتلة الشرقية آنذاك ^{[ 10 ]} .

• معادلة هاجن-بوازوي
• ميزان شل
• اضطراب الدوامات
• تيار مائي

• شلال ذو تدفق انسيابي عالي بطول 3 أمتار، مدته دقيقة واحدة وثانية واحدة، 2016، على يوتيوب
• صنع فوهة تدفق صفائحي مقابل 15 دولارًا، 8:07 دقيقة، 2008 على يوتيوب
• تدفق انسيابي لمجرى مائي صغير، ٢٠١٦ على يوتيوب
• نافورة في شيكاغو، ٢٠١٤ على يوتيوب
• تم عرض تدفق صفائحي عكسي باستخدام شراب الذرة الأزرق والأخضر، 2007 على يوتيوب
• تدفق صفائحي في أنبوب، 2006 على يوتيوب