Effect of Friction in Compressible Flow | Gas Dynamics in Hindi

Effect of Friction Gas Dynamics का एक महत्वपूर्ण विषय है जिसमें Compressible Fluid के Flow पर Pipe या Duct की सतह (Wall) के साथ होने वाले Friction के प्रभाव का अध्ययन किया जाता है। वास्तविक (Practical) Flow में Fluid और Pipe Wall के बीच Friction होने के कारण Pressure Loss, Energy Loss तथा Entropy में वृद्धि होती है। इसलिए वास्तविक Flow, Ideal Isentropic Flow से भिन्न होता है।

Constant Area Duct में Friction के साथ होने वाले Compressible Flow को सामान्यतः Fanno Flow कहा जाता है। यह विषय Mechanical Engineering, Aerospace Engineering, Gas Turbine तथा Nozzle Design के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

Friction क्या है?

जब कोई Gas किसी Pipe या Duct के अंदर प्रवाहित होती है, तब Fluid की Viscosity के कारण Pipe Wall तथा Fluid Layers के बीच Resistance उत्पन्न होता है। इसी Resistance को Friction कहा जाता है।

Friction के कारण Flow की Mechanical Energy धीरे-धीरे Heat Energy में परिवर्तित होती है, जिससे Pressure तथा Total Pressure में कमी आती है।

Assumptions of Fanno Flow

• Steady Flow
• One Dimensional Flow
• Constant Area Duct
• Adiabatic Process (No Heat Transfer)
• Friction Present
• Ideal Gas

Effects of Friction on Compressible Flow

1. Pressure Drop

Friction के कारण Fluid की Pressure लगातार कम होती जाती है। जितनी अधिक Duct Length होगी, Pressure Loss उतना अधिक होगा।

2. Total Pressure Decreases

Friction एक Irreversible Process है, इसलिए Stagnation Pressure (Total Pressure) लगातार कम होती जाती है।

3. Entropy Increases

Friction के कारण Entropy बढ़ती है क्योंकि प्रक्रिया Irreversible होती है।

4. Temperature Variation

Static Temperature का परिवर्तन Flow की प्रारंभिक Mach Number पर निर्भर करता है, जबकि Adiabatic Flow होने के कारण Stagnation Temperature लगभग स्थिर रहती है।

5. Mach Number Changes

Friction का प्रभाव Mach Number पर अलग-अलग होता है।

• Subsonic Flow (M < 1) में Mach Number बढ़ता है।
• Supersonic Flow (M > 1) में Mach Number घटता है।
• दोनों स्थितियों में Flow धीरे-धीरे Mach Number = 1 की ओर बढ़ता है।

Effect of Friction on Subsonic Flow

Effect of Friction on Supersonic Flow

Fanno Line

Fanno Flow का Thermodynamic Representation T-S Diagram पर Fanno Line द्वारा किया जाता है। इस Line पर Entropy लगातार बढ़ती है तथा Maximum Entropy की स्थिति पर Mach Number = 1 हो जाता है।

Choking Due to Friction

यदि Duct की लंबाई पर्याप्त अधिक हो जाए, तो Friction के कारण Flow का Mach Number धीरे-धीरे 1 हो जाता है। इस स्थिति को Frictional Choking कहा जाता है।

Characteristics

• Mach Number = 1
• Maximum Entropy
• Maximum Duct Length प्राप्त
• Mass Flow Rate सीमित हो जाती है।

Fanno Flow Equation

जहाँ,

• f = Darcy Friction Factor
• L = Duct Length
• D = Hydraulic Diameter
• M = Mach Number

Applications

• Gas Pipelines
• Air Duct Systems
• Jet Engine Air Intake
• Rocket Propulsion
• Gas Turbines
• Ventilation Systems
• Compressible Flow Analysis
• Industrial Pipe Networks

Advantages of Friction Analysis

• Pressure Loss की सही गणना।
• Pipe Design में सहायता।
• Flow Performance का मूल्यांकन।
• Gas Turbine एवं Nozzle Analysis।
• Industrial Pipeline Design.

Important Formula Summary

Exam Point of View

• Effect of Friction on Compressible Flow.
• Fanno Flow Assumptions.
• Pressure एवं Mach Number Variation.
• Fanno Line.
• Frictional Choking.
• Effect on Subsonic एवं Supersonic Flow.
• Applications.

Conclusion

Compressible Flow में Friction का प्रभाव अत्यंत महत्वपूर्ण होता है। Friction के कारण Pressure Loss, Total Pressure में कमी तथा Entropy में वृद्धि होती है। Subsonic Flow में Mach Number बढ़ता है जबकि Supersonic Flow में घटता है और दोनों ही स्थितियों में Flow Mach Number 1 की ओर बढ़ता है। इस प्रकार का Flow Fanno Flow कहलाता है, जो Gas Pipelines, Jet Engines, Rocket Propulsion तथा Industrial Duct Systems के Design में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।