Tài liệu Bài giảng kỹ thuật thủy khí công nghiệp

KỸ THUẬT THUỶ KHÍ TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ HỌC BÀI GIẢNG HỌC PHẦN KỸ THUẬT THỦY KHÍ Theo chương trình đào tạo 150 TC Số tín chỉ: 2 Thái Nguyên, năm 2012 1 KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 2 Tên tác giả biên soạn : PHẠM ĐỨC NGỌC – LÊ XUÂN LONG NGUYỄN THỊ HIỀN BÀI GIẢNG HỌC PHẦN:KỸ THUẬT THỦY KHÍ Theo chương trình đào tạo 150 TC Số tín chỉ: 2 Trƣởng bộ môn (ký và ghi rõ họ tên) Trƣởng khoa, giám đốc trung tâm….. (ký và ghi rõ họ tên) KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 3 ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN KỸ THUẬT THUỶ KHÍ (Học phần bắt buộc) 1. Tên học phần: KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 2 . Số tín chỉ: 2 3. Trình độ: Sinh viên năm thứ 2 4. Phân bổ thời gian: - Lên lớp lý thuyết: 24 tiết - Thảo luận: 12 tiết 5. Các học phần học trƣớc: Toán (1,2,3,4); Vật lý ; Cơ học lý thuyết (1,2); Vẽ kỹ thuật; Sức bền vật liệu, Cơ ứng dụng. 6. Học phần thay thế, học phần tƣơng đƣơng: Không 7. Mục tiêu của học phần: Cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản để tính toán các đại lƣợng đặc trƣng của chất lỏng khi có sự tƣơng tác giữa chất lỏng với bề mặt vật bao quanh hoặc vật ngập trong chất lỏng: - Tính áp suất chất lỏng tĩnh và chất lỏng động, vẽ biểu đồ áp suất. - Ứng dụng định luật Pascal, các ứng dụng của định luật: các máy thuỷ lực. - Áp lực của chất lỏng lên bề mặt vật bất kỳ; tính toán cân bằng vật ngập trong chất lỏng chuyển động. - Tính toán vận tốc dòng chảy; áp suất thuỷ động; tính lƣu lƣợng; - Thiết lập phƣơng trình chuyển động của chất lỏng; phƣơng trình chuyển hoá năng lƣợng - Các ứng dụng của phƣơng trình Bernoulli trong thực tế. - Phƣơng trình động lƣợng của dòng chất lỏng; kỹ thuật chế tạo tua bin, tên lửa, máy bay…. - Tính toán năng lƣợng tổn hao của chất lỏng chuyển động. - Tính toán đƣờng ống có áp: ống nối tiếp, phân phối, song song. Qua đó giúp sinh viên củng cố và bổ sung những kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề trong thực tiễn kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực liên quan đến chất lỏng. 8. Mô tả vắn tắt nội dung học phần: Cơ học chất lỏng nghiên cứu các quy luật cân bằng và chuyển động cơ học (vĩ mô) của chất lỏng, các lực tƣơng tác giữa chất lỏng và vật ngập trong nó và cách ứng dụng các quy luật đó vào sản xuất. Nội dung môn học bao gồm: KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 4 - Giới thiệu về chất lỏng - Tĩnh học chất lỏng - Động học chất lỏng - Động lực học chất lỏng - Chuyển động một chiều của chất lỏng không nén - Tính toán thuỷ lực đƣờng ống. 9. Nhiệm vụ của sinh viên: - Dự lớp đầy đủ - Làm bài tập ở nhà - Chuẩn bị dụng cụ học tập đầy đủ: giáo trình, máy tính bấm tay… - Tham gia thảo luận 10. Tài liệu học tập: - Sách, giáo trình chính: [1]; Bài giảng môn học Cơ học chất lỏng 1 - Bộ môn Cơ học [2]; Nguyễn Phƣớc Hoàng, Phạm Đức Nhuận, Thủy lực và máy thủy lực, (tập 1), NXB ĐH&THCN, Hà Nội, 1979 [3]; Nguyễn Hữu Chí, Bài tập cơ học chất lỏng ứng dụng, NXB GD Hà nội, 1998. [ 4]; Bài tập môn học Cơ học chất lỏng 1 - Bộ môn Cơ học [5]; Giáo trình Thuỷ lực tập I các trƣờng ĐH trong nƣớc. - Sách tham khảo: [6]; Vũ Duy Quang, Thủy khí động lực ứng dụng, ĐH BK Hà nội, 1996. [7]; Bài tậpThủy lực và máy thủy lực, NXB Đại học và THCN- 1979, Ngô Vi Châu - Nguyễn Phƣớc Hoàng -Vũ Duy Quang - Đặng Huy Chí - Võ Sĩ Huỳnh Lê Danh Liên [8]; Cơ học chất lỏng kỹ thuật Tập 1, Nguyễn Tất Đạt - Mai Thắng, NXB Nông nghiệp-2000 [9]; Bài tập Cơ học chất lỏng kỹ thuật, Mai Thắng, NXB Nông nghiệp-1994 [10]; Fluid mechanics ( First Sl Metric Edition 1983), Victor L. Streeter & E. Benjanmin Wylie KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 5 11. Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Dự lớp: ≥ 80% tổng số giờ môn học - Thảo luận + Bài tập: - Kiểm tra giữa học phần: - Thi kết thúc học phần: 12. Thang điểm học phần: 4 - Kiểm tra giữa học phần: Tự luận, Trọng số 0,15 - Thảo luận + Bài tập: Trọng số 0,15 - Thi kết thúc học phần: Tự luận, Trọng số 0,7 13. Lịch trình giảng dạy Tuần thứ Nội dung Tài liệu học tập, tham khảo Hình thức 1 Chƣơng I [1],[2],[5], Mở đầu [6],[8],[10] Giảng lý thuyết (Tổng số tiết:3 ;số tiết lý thuyết: 3 ; số tiết bài tập: 0 ; thảo luận:0 ) 1.1. Đối tƣợng nghiên cứu và nhiệm vụ môn học 1.1.1. Khái niệm môn học 1.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 1.1.3. Lịch sử phát triển môn học. 1.2 Khái niệm chất lỏng trong thuỷ lực, một số tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng. 1.2.1 Khái niệm chất lỏng. 1.2.2 Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng: 1/ Tính di động của chất lỏng 2/ Tính liên tục của chất lỏng 3/ Chất lỏng có khối lƣợng 4/ Chất lỏng có trọng lƣợng. 5/ Tính nén đƣợc của chất lỏng 6/ Sự thay đổi thể tích khi thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất của khối chất lỏng. KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 6 2 7/ Sức căng mặt ngoài [1],[2],[5] Giảng lý 8/ Tính nhớt của chất lỏng. [6],[8],[10] thuyết [1],[2],[5] Giảng lý thuyết 1.3 Chất lỏng thực& chất lỏng lý tƣởng, lực tác dụng lên chất lỏng – phân loại lực tác dụng. 1.3.1 Chất lỏng thực - chất lỏng lý tƣởng. 1.3.2 Lực tác dụng lên chất lỏng – Phân loại lực tác dụng. Chƣơng II Thuỷ tĩnh học (Tổng số tiết: 12 ;số tiết lý thuyết: 6 ; số tiết bài tập: 3 ; thảo luận:3 ) 2.1. Khái niệm, phân loại trạng thái tĩnh 2.1.1 Khái niệm chung 2.1.2 Phân loại trạng thái tĩnh 2.2. Áp lực và áp suất thuỷ tĩnh. 2.2.1 Áp lực 2. 2.2 Áp suất 3 2.3 Hai tính chất cơ bản của áp suất tĩnh. 2.3.1 Tính chất 1 2.3.2 Tính chất 2 2.4 Phƣơng trình vi phân cân bằng và phƣơng trình cơ bản tĩnh học 2.4.1 Thiết lập phƣơng trình vi phân cân bằng 2.4.2 Phƣơng trình cơ bản tĩnh học 2.4.3 Mặt đẳng áp mặt đẳng thế 2.5 Các loại áp suất, biểu đồ áp suất, ý nghĩa của phƣơng trình cơ bản. 2.5.1 Các loại áp suất 2.5.2 Biểu đồ áp suất. 2.5.3 Ý nghĩa của phƣơng trình cơ bản. [6],[8],[10] KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 4 7 2.7 Tính áp lực chất lỏng tác động lên mặt [1],[2],[5] Giảng lý phẳng [6],[8],[10] thuyết [1],[2],[5] Giảng lý [6],[8],[10] thuyết [1],[2],[6],[8], Thảo luận [10],[4],[9],[3],[ và bài tập 2.7.1 Nhận xét. 2.7.2 Tìm trị số áp lực. 2.7.3 Tìm điểm đặt áp lực. 5 2.8 Áp lực chất lỏng lên mặt cong. 2.8.1 Nhận xét 2.8.2 Tìm trị số áp lực 2.8.3 Tìm phƣơng, chiều, điểm đặt 2.7.4 Bài toán áp lực tác dụng lên mặt 6 phẳng 2.8.4 Bài toán áp lực tác dụng lên mặt 5] cong 7 2.6 Định luật Pascal và ứng dụng. [1],[2],[5], Giảng lý 2.6.1 Định luật Pascal [6],[8],[10] thuyết 2.6.2 Ứng dụng 2.9 Định luật Ácsimet – Sự nổi của vật 2.9.1 Định luật 2.9.2 Sự nổi của vật KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 8 9 8 Chƣơng III Động học chất lỏng (Tổng số tiết: 3 ;số tiết lý thuyết: 3 ; số tiết bài tập: 0 ; thảo luận:0 ) 3.1 Khái niệm chung 3.1.1 Nhiệm vụ 3.1.2 Các giả thiết 3.1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 3.1.4 Phân loại chuyển động của chất lỏng 3.2 Các khái niệm cơ sở 3.2.1 Đƣờng dòng 3.2.2 Ống dòng 3.2.3 Dòng nguyên tố 3.2.4 Dòng chảy 3.2.5 Mặt cắt ƣớt 3.2.6 Chu vi ƣớt 3.2.7 Bán kính thuỷ lực 3.2.8 Vận tốc thực 3.2.9 Lƣu lƣợng 3.2.10 Vận tốc trung bình 3.3 Chuyển động có thế 3.3.1 Hàm dòng và thế vận tốc 3.3.2 Tính lƣu số vận tốc và lƣu lƣợng 3.3.3 Đƣờng xoáy và ống xoáy 3.3.4 Thế phức w(z), vận tốc phức w’(z) 3.4 Phƣơng trình liên tục 3.4.1 Dạng tổng quát 3.4.2 Phƣơng trình liên tục đối với dòng nguyên tố 3.4.3 Phƣơng trình liên tục đối với dòng chảy ổn định [1],[2],[5], Giảng lý [6],[8],[10] thuyết [1],[2],[5], Giảng lý [6],[8],[10] thuyết [1],[2],[5], Giảng lý thuyết Chƣơng IV Động lực học chất lỏng (Tổng số tiết: 9 ;số tiết lý thuyết: 6 ; số tiết bài tập: 3 ; thảo luận:0 ) 4.1 Phƣơng trình vi phân chuyển động của chất lỏng lý tƣởng 10 4.2 Các dạng phƣơng trình Bernoulli cho chất lỏng lý tƣởng 4.3 Phƣơng trình vi phân của chất lỏng thực 4.3.1 Dạng ứng suất 4.3.2 Dạng Navie – Stock [6],[8],[10] KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 11 12 4.4 Các dạng phƣơng trình Bernoulli cho chất lỏng thực 4.4.1 Viết cho dòng nguyên tố 4.4.2 Viết cho toàn dòng 4.5 Phƣơng trình động lƣợng - Định lí Ole 1 4.4.3 Ứng dụng phƣơng trình Bernoulli 9 [1],[2],[5], Giảng lý [6],[8],[10] thuyết [1],[2],[6],[8], Thảo luận [10],[4],[9],[3],[ và bài tập 5] 13 Chƣơng V Chuyển động một chiều của chất lỏng không nén (Tổng số tiết: 6 ;số tiết lý thuyết:4 ; số tiết bài tập: 2 ; thảo luận: 0 ) 5.1 Tổn thất năng lƣợng dòng chảy 5.1.1 Nguyên nhân gây tổn thất 5.1.2 Tổn thất dọc đƣờng 5.1.3 Tổn thất cục bộ 5.2 Hai chế độ chảy – Thí nghiệm Reynolds 5.2.1 Các chế độ chảy của dòng chảy 5.2.2 Thí nghiệm Reynolds 5.2.3 Tiêu chuẩn phân biệt hai chế độc chảy 5.3 Tính toán tổn thất dọc đƣờng 5.3.1 Phƣơng trình cơ bản của dòng chất lỏng chảy đều 5.3.2 Dòng chảy tầng [1],[2],[5], Giảng lý [6],[8],[10] thuyết [1],[2],[5], Giảng lý [6],[8],[10] thuyết 5.3.3 Dòng chảy rối 14 5.4 Tổn thất cục bộ 5.4.1 Tổn thất cục bộ khi ống đột ngột mở rộng 5.4.2 Tổn thất cục bộ khi ống đột ngột co hẹp 5.4.3 Một số dạng tổn thất thƣờng gặp trong ống Chƣơng VI Tính toán thuỷ lực đƣờng ống (Tổng số tiết: 3 ;số tiết lý thuyết: 2 ; số tiết bài tập: 1 ; thảo luận: 0 ) 6.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán đƣờng ống 6.2 Phân loại đƣờng ống – công thức tính 6.3 Bài toán cơ bản về đƣờng ống đơn giản KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 10 15 6.4 Tính toán đƣờng ống phức tạp 6.4.1 Đƣờng ống nối tiếp 6.4.2 Đƣờng ống song song 6.4.3 Đƣờng ống phân phối liên tục Bài tập chƣơng V, chƣơng VI [1],[2],[6],[8], Thảo luận [10],[4],[9],[3],[ và bài tập 5] KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 11 MỤC LỤC PHẦN I: LÝ THUYẾT Chƣơng I: MỞ ĐẦU Trang 13 1.1. Đối tƣợng nghiên cứu và nhiệm vụ môn học 1.2 Khái niệm chất lỏng trong thuỷ lực, một số tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng. 15 1.3 Chất lỏng thực & chất lỏng lý tƣởng, lực tác dụng lên chất lỏng – phân loại lực tác dụng. 19 Chƣơng II: THUỶ TĨNH HỌC 14 21 2.1 Khái niệm, phân loại trạng thái tĩnh 22 2.2 Áp lực và áp suất thuỷ tĩnh. 23 2.3 Hai tính chất cơ bản của áp suất tĩnh. 24 2.4 Phƣơng trình vi phân cân bằng và phƣơng trình cơ bản tĩnh học 24 2.5 Các loại áp suất, biểu đồ áp suất, ý nghĩa của phƣơng trình cơ bản. 28 2.6 Định luật Pascal và ứng dụng. 29 2.7 Tính áp lực chất lỏng tác động lên mặt phẳng 30 2.8 Áp lực chất lỏng lên mặt cong. 35 2.9 Định luật Archimedes – Sự nổi của vật 39 Chƣơng III: ĐỘNG HỌC CHẤT LỎNG 41 3.1 Khái niệm chung 42 3.2 Các khái niệm cơ sở 45 3.3 Chuyển động có thế 47 3.4 Phƣơng trình liên tục 49 Chƣơng IV: ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LỎNG 52 4.1 Phƣơng trình vi phân chuyển động của chất lỏng lý tƣởng 52 4.2 Các dạng phƣơng trình Bernoulli cho chất lỏng lý tƣởng 54 4.3 Phƣơng trình vi phân của chất lỏng thực 54 4.4 Các dạng phƣơng trình Bernoulli cho chất lỏng thực 58 4.5 Phƣơng trình động lƣợng - Định lí Euler 1 63 KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 12 Chƣơng V: CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT LỎNG KHÔNG NÉN 65 5.1 Tổn thất năng lƣợng dòng chảy 66 5.2 Hai chế độ chảy – Thí nghiệm Reynolds 67 5.3 Tính toán tổn thất dọc đƣờng 70 5.4 Tổn thất cục bộ 72 Chƣơng VI: TÍNH TOÁN THUỶ LỰC ĐƢỜNG ỐNG 78 6.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán đƣờng ống 78 6.2 Phân loại đƣờng ống – công thức tính 79 6.3 Bài toán cơ bản về đƣờng ống đơn giản 81 6.4 Tính toán đƣờng ống phức tạp 81 PHẦN II: THẢO LUẬN VÀ BÀI TẬP 1. Thảo luận và bài tập lần 1 : Chƣơng II 39  Bài toán áp lực chất lỏng tác dụng lên mặt phẳng  Bài toán áp lực chất lỏng tác dụng lên mặt cong 2. Thảo luận và bài tập lần 2: Chƣơng II 39  Định luật Pascal và ứng dụng  Định luật Archimedes - Sự nổi của vật. 3. Thảo luận và bài tập lần 3 : Chƣơng IV 64 Ứng dụng phƣơng trình Bernoulli 4. Thảo luận và bài tập lần 4 : Chƣơng V và chƣơng VI  Tính toán tổn thất chất lỏng  Tính toán thuỷ lực đƣờng ống 83 KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 13 Chƣơng I: MỞ ĐẦU I.1 Mục tiêu, nhiệm vụ - Mục tiêu: Giúp sinh viên có khái niệm về môn học, vị trí môn học và những ứng dụng chính của môn học trong thực tế. Hiểu về các tính chất vật lý của chất lỏng - Nhiệm vụ của sinh viên: Đọc lý thuyết trƣớc khi lên lớp - Đánh giá: I.2 Quy định hình thức học tập cho mỗi nội dung nhỏ: Nội dung Hình thức học 1.1. Đối tƣợng nghiên cứu và nhiệm vụ môn học Giảng 1.1.1. Khái niệm môn học 1.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 1.1.3. Lịch sử phát triển môn học. Sinh viên nghiên cứu 1.2 Khái niệm chất lỏng trong thuỷ lực, một số tính chất vật Giảng lý cơ bản của chất lỏng. 1.2.1 Khái niệm chất lỏng. 1.2.2 Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng: Giảng 1/ Tính di động của chất lỏng 2/ Tính liên tục của chất lỏng 3/ Chất lỏng có khối lƣợng 4/ Chất lỏng có trọng lƣợng. 5/ Tính nén đƣợc của chất lỏng 6/ Sự thay đổi thể tích khi thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất của khối chất lỏng. 7/ Sức căng mặt ngoài 8/ Tính nhớt của chất lỏng. 1.3 Chất lỏng thực & chất lỏng lý tƣởng, lực tác dụng lên chất Giảng lỏng – phân loại lực tác dụng. 1.3.1 Chất lỏng thực - chất lỏng lý tƣởng. 1.3.2 Lực tác dụng lên chất lỏng – Phân loại lực tác dụng. tự KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 14 I.3. Các nội dung cụ thể A. Nội dung lý thuyết  Nội dung giảng dạy: 1.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM VỤ MÔN HỌC 1.1.1. Khái niệm môn học - Khái niệm môn học: Kỹ thuật thuỷ khí là khoa học nghiên cứu và ứng dụng các qui luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng - chất khí, lực tác động qua lại giữa môi trƣờng lỏng – khí với các vật thể chuyển động trong nó hoặc với bề mặt bao quanh nó. - Đối tƣợng nghiên cứu đầu tiên là nƣớc, sau đó do quá trình sản xuất phát triển mà đối tƣợng nghiên cứu của môn học đƣợc mở rộng. Các quy luật thuỷ lực đƣợc ứng dụng, nghiên cứu cho các loại chất lỏng nhƣ xăng, dầu, rƣợu, cồn, nƣớc, kim loại nóng chảy, hỗn hợp chất lỏng và chất rắn, chất rắn và chất khí, chất khí và chất rắn, các loại chất khí khi bị nén. - Kỹ thuật thuỷ khí có vai trò rất quan trọng trong nhiều ngành kỹ thuật khác nhau nhƣ thuỷ lợi, năng lƣợng, giao thông vận tải, cấp thoát nƣớc, cơ khí, hàng không.v.v..., trong kỹ thuật và vệ sinh môi trƣờng, nói riêng trong thông gió và cấp nhiệt. Việc tính toán ống dẫn nƣớc, dẫn khí, dẫn không khí, dẫn hơi.v.v..., việc chế tạo máy bơm, máy nén khí, quạt gió.v.v...do đó dòi hỏi một ngƣời kỹ sƣ muốn có kiến thức toàn diện và khả năng làm việc tốt trong bất kỳ lĩnh vực nào thuộc về kỹ thuật, phải có kiến thức cơ bản về chất lỏng và chất khí, đó chính là môn học kỹ thuật thuỷ khí. 1.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu: Trong nghiên cứu thủy lực phải kết hợp chặt chẽ lý thuyết và thực nghiệm.  Các nguyên lý cơ bản để giải bài toán thủy lực. - Bảo toàn khối lƣợng (bảo toàn liên tục). - Bảo toàn động lƣợng và moment động lƣợng (nguyên lý cơ bản cơ học). - Bảo toàn năng lƣợng (nguyên lý cơ bản vật lý).  Phƣơng pháp tiến hành nhƣ sau: - Tách riêng bằng tƣởng tƣợng thể tích chứa chất lỏng đang xét. Gọi là thể tích kiểm tra. Mặt bao quanh thể tích kiểm tra gọi là mặt kiểm tra - Nghiên cứu tác dụng các lực lên các phần tử đó. KỸ THUẬT THUỶ KHÍ - 15 Áp dụng các nguyên lý cơ bản của cơ học và vật lý học đối với toàn bộ khối chất lỏng trong thể tích kiểm tra, coi nhƣ toàn bộ khối chất lỏng đó là một hệ thống vật chất do các phần tử chất lỏng tạo nên. Nhờ phƣơng pháp này giúp ta lập đƣợc phƣơng trình vi phân của phần tử chất lỏng. Nhƣng thƣờng trong thủy lực ta không yêu cầu biết thật chính xác về mỗi trạng thái chuyển động của mỗi hạt chất lỏng (lƣu hạt) mà chỉ biết các trị số trung bình của một đại lƣợng nào đó ở trong một thể tích hay mặt cắt. Sự phân tích thứ nguyên nhiều khi cũng giúp ta tìm đƣợc dạng gần đúng của các định luật. Trong thủy lực, thực nghiệm đóng vai trò quan trọng. Thí nghiệm đƣợc làm trên những vật nhỏ gọi là mô hình.  Có hai cách khảo sát chuyển động: - Theo Euler: có vô số quan sát viên ở tại vô số điểm đặt tại dòng chảy. Nhƣ vậy ta có u, p, ... phụ thuộc vào vị trí điểm cố định và thời gian t: u = f1(x, y, z, t) ; p = f2(x, y, z, t) - Theo Lagrand: có vô số quan sát viên di chuyển cùng vận tốc với 1 phần tử chất lỏng.  Ở thời điểm t0 : một phần tử chất lỏng A có tọa độ là (a, b, c)  Tại thời điểm t: phần tử đó có tọa độ là (x, y, z)  Ta có: x = f1(a, b, c, t) ; y = f2(a, b, c, t); z = f3(a, b, c, t) Ðây là dạng chuyển động của dòng chảy. 1.1.3 Lịch sử phát triển môn học: Sv tự nghiên cứu 1.2 KHÁI NIỆM CHẤT LỎNG TRONG THUỶ LỰC – CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG. 1.2.1 Khái niệm chất lỏng. Hình 1.1: a) Chất rắn; b) Chất lỏng; c) Chất khí Chất lỏng là môi trƣờng liên tục mà lực liên kết giữa các phần tử tạo thành nó rất yếu. KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 16 1.2.2 Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng: Khái niện chất lỏng chất lỏng tổng quát trong "Cơ học chất lỏng ứng dụng " bao gồm : Chất lỏng , chất khí và hơi. Trong những trƣờng hợp nghiên cứu cụ thể có thể đƣợc nói rõ là chất lỏng , khí hoặc hơi. Khái niệm chất lỏng = Thể lỏng + Thể khí + Thể hơi ( Fluid = Liquid + Gas + Vapour) 1) Tính di động. Dƣới tác dụng của lực mọi vật chất đều biến dạng. - Biến dạng đàn hồi: Là biến dạng bị mất đi sau khi bỏ lực tác dụng. - Biến dạng dẻo : là biến dạng đƣợc giữ nguyên sau khi bỏ lực. - Biến dạng chảy : Nếu biến dạng tăng lên một cách liên tục không có giới hạn dƣới của các lực nhỏ tuỳ ý. Chất lỏng là loại chất chảy . Tính di động là đặc tính nổi bật của chúng . Nó không có hình dạng riêng ban đầu mà luôn hình thành theo hình dạng vật thể chứa đựng nó hoặc bao quanh nó . Tính chảy còn thể hiện ở chỗ các phần tử trong chất lỏng và chất khí có chuyển động tƣơng đối với nhau khi chất lỏng và chất khí chuyển động. 2) Tính liên tục. Chất lỏng đƣợc coi nhƣ môi trƣờng liên tục, tức là phần tử chất lỏng chiếm đầy không gian mà không có chỗ nào trống rỗng. Với tính chất liến tục này ta có thể có những đặc trƣng cơ bản của chất lỏng nhƣ: vận tốc, mật độ, áp suất là hàm số của toạ độ điểm (phần tử) và thời gian, những hàm số đƣợc coi là liên tục và khả vi. 3) Chất lỏng có khối lượng. Đặc trƣng khối lƣợng của một đơn vị thể tích gọi là khối lƣợng riêng  M V (kg/m3) (1.2-1) M: Khối lƣợng trong thể tích V (kg) V : Thể tích có khối lƣợng M (m3 ) Khối lƣợng riêng là đại lƣợng đặc trƣng để phân biệt các loại chất lỏng khác nhau. Cùng một loại chất lỏng ở điều kiện nhiệt độ khác nhau sẽ có khối lƣợng riêng khác nhau. Ví dụ: Nƣớc cất ở 40C có  =1000 kg/m3 KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 17 Khối lƣợng riêng một số chất ở nhiệt độ 0°C và áp suất 760mm Hg là:  Nitơ: 1,25 kg/m³  Nƣớc đá: 900 kg/m³ 4) Chất lỏng có trọng lượng. Đặc trƣng cho trọng lƣợng trong một đơn vị thể tích là trọng lƣợng riêng  G V (N/m3) (1.2-2) G (N): Trọng lƣợng khối chất lỏng chứa trong thể tích V (m3). Liên hệ giữa  và :   .g  Mg V (N/m3) (1.2.3) Nƣớc nguyên chất  = 9810N/m3 (gia tốc trọng trƣờng g = 9.81m/s2) Ngoài ra, ta có khái niệm tỷ trọng của chất lỏng: Đó chính là tỷ số giữa trọng lƣợng riêng của chất lỏng với nƣớc ở điều kiện nhiệt độ 4oC (  = 9810 N/m3). Kí hiệu tỷ trọng:  . Nếu  > 1 chứng tỏ chất lỏng nặng hơn nƣớc, nếu <1 chất lỏng nhẹ hơn nƣớc. 5) Tính nén được của chất lỏng. Chất lỏng khác chất khí ở chỗ khoảng cách giứa các phần tử trong chất lỏng so với chất khí rất nhỏ nên sinh ra lực dính phân tử rất lớn. Lực dính phân tử này có tác dụng làm cho chất lỏng giữ đƣợc thể tích gần nhƣ ít thay đổi mặc dù bị thay đổi về áp suất và nhiệt độ tức là chất lỏng khó bị nén, trong khi đó chất khí dễ dàng co lại khi bị nén. Vì thế thƣờng coi chất lỏng có tính không chịu nén , còn chất khí chịu nén đƣợc. 6) Tính thay đổi thể tích do thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ. a) Trường hợp thay đổi áp suất Hệ số nén thể tích: v v   1 dV V dp  m2 1 1   ; ;   N Pa at  (1.2.4) V: Thể tích ban đầu (m3) dV lƣợng thay đổi thể tích V (m3) dp lƣợng thay đổi áp suất (N/m2 ; at; Pa) Hệ số nén thể tích của chất lỏng ít thay đổi khi nhiệt độ và áp suất thay đổi. KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 18 1 m2 Trị số trung bình của nƣớc:  V  2.10 9 N Do đó khi áp suất tăng lên 9,8. 104 N/m2 (khoảng 1at) thể tích nƣớc giảm đi 1/20.000 phần đại lƣợng ban đầu. Hệ số nén thể tích của chất lỏng hạt khác cũng có cỡ nhƣ vậy. Trong nhiều trƣờng hợp thực tiễn kỹ thuật, tính nén của chất lỏng có thể bỏ qua, xem trọng lƣợng thể tích và mật độ của nó không phụ thuộc vào áp suất. b) Trường hợp thay đổi nhiệt độ Tính dãn nở của chất lỏng hạt đƣợc đặc trƣng bằng hệ số dãn nở do nhiệt độ t t  1 dV V dt (1/độ) (1.2.5) dt lƣợng thay đổi nhiệt độ (oC; oK) t thay đổi khi áp suất thay đổi Hệ số giãn nở của nƣớc tăng khi áp suất tăng, nhƣng đối với phần lớn các chất lỏng khác thì t giảm khi áp suất tăng. Khi nhiệt độ tăng từ 10 đến 20oC và áp suất là 105 Pa có thể lấy gần đúng: t  0,0001 oC-1 7) Sức căng mặt ngoài. Sinh ra hiện tƣợng mao dẫn trong ống có đƣờng kính nhỏ. Sức căng mặt ngoài phụ thuộc nhiệt độ. Sức căng mặt ngoài rất nhỏ so với các lực khác, cho nên phần lớn các hiện tƣợng thủy lực ta không xét đến. 8) Tính nhớt. Khi các chất lỏng chuyển động, giữa chúng có sự chuyển động tƣơng đối, làm sinh ra lực ma sát trong. Ðây là nguyên nhân sinh ra tổn thất năng lƣợng khi chất lỏng chuyển động. Ðặc tính này gọi là tính nhớt. Các lực nhớt sinh ra có liên quan đến lực hút phân tử trong chất lỏng. Thí dụ về tính nhớt: Khi ta đổ dầu hỏa, nƣớc lã, dầu nhờn ra nền nhà thì tốc độ chảy của nó khác nhau. Đó là do mỗi chất lỏng có lực dính nhớt trong nội bộ khác nhau. Công do lực nhớt sinh ra biến thành nhiệt năng không thu hồi lại đƣợc. Newton đã đƣa ra giả thiết về quy luật ma sát trong và đã đƣợc thực nghiệm xác nhận: "Sức ma sát giữa các lớp của chất lỏng chuyển động thì tỷ lệ với diện tích tiếp xúc của các lớp ấy, không phụ thuộc vào áp lực, mà phụ thuộc vào Gradient vận tốc theo chiều thẳng góc với phƣơng chuyển động và phụ thuộc vào lọai chất lỏng". F  ..A. du dy (N) (1.2.6) KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 19 F (N) : lực nhớt trên diện tích S của hai lớp chất lỏng. A (m2) : diện tích tiếp xúc giữa hai lớp chất lỏng. du : Gradient vận tốc theo phƣơng y vuông góc hƣớng dòng chảy. dy  (Pa.s) : hệ số đặc trƣng cho tính nhớt gọi là hệ số nhớt động lực học. Ngoài ra còn có hệ số nhớt động học  là tỷ số giữa độ nhớt động lực và mật độ của chất lỏng.    ( St) (1.2.7) 1St = 1 cm2/s = 10-4 m2/s Trong thực tế độ nhớt của chất lỏng đƣợc xác định bằng nhớt kế, kiểu phổ biến nhất là nhớt kế Engler. Khi nhiệt độ tăng từ 0 đến 100oC độ nhớt của nƣớc giảm đi gần 7 lần. Ở nhiệt độ 20oC độ nhớt động lực của nƣớc  = 0,001 Pa.s = 0,01P ( P: Poazel) Loại chất lỏng tuân theo định luật ma sát trong của Newton gọi là chất lỏng thực hoặc chất lỏng Newton. Môn kỹ thuật thuỷ khí nghiên cứu chất lỏng này. Các loại chất lỏng nhƣ sơn, hồ không tuân theo định luật ma sát trong gọi là chất lỏng phi Newton. 1.3 CHẤT LỎNG THỰC - CHẤT LỎNG LÝ TƢỞNG. LỰC TÁC DỤNG LÊN CHẤT LỎNG – PHÂN LOẠI LỰC TÁC DỤNG 1.3.1 Chất lỏng thực - chất lỏng lý tƣởng. - Chất lỏng thực có tất cả những tính chất đã nêu. - Chất lỏng lý tƣởng: bao gồm những tính chất sau:  Không có tính nhớt: =0  Di động tuyệt đối.  Không chống đƣợc lực kéo và cắt.  Không nén đƣợc. Chất lỏng ở trạng thái tĩnh rất gần với chất lỏng lý tƣởng. Ðể có kết quả chất lỏng lý tƣởng phù hợp chất lỏng thực, ngƣời ta dùng thực nghiệm để rút ra hệ số hiệu chỉnh. Ngoài ra một số vấn đề thủy lực, chƣa có phƣơng pháp lý luận giải quyết đƣợc, mà phải dùng phƣơng pháp thực nghiệm. 1.3.2 Lực tác dụng lên chất lỏng – Phân loại lực tác dụng. KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 20 Xét một thể tích chất lỏng, chứa trong mặt cong S. Những lực tác dụng lên thể tích chất lỏng chia làm hai loại - Lực khối: Là những lực tỷ lệ với khối lƣợng chất lỏng, tác dụng lên mỗi phân tử chất lỏng nhƣ: Lực quán tính, trọng lực, lực điện từ. Thông thƣờng lực khối là trọng lực, trừ một số trƣờng hợp đặc biệt phải xét thêm lực quán tính. - Lực bề mặt: Là lực từ ngoài tác dụng lên các phần tử chất lỏng qua mặt tiếp xúc, tỷ lệ với diện tích mặt tiếp xúc nhƣ: áp lực khí quyển tác dụng lên mặt tự do của chất lỏng, áp lực piton lên chất lỏng chứa trong xy lanh, áp lực chất lỏng tác dụng lên bề mặt vật, lực ma sát... B. Nội dung thảo luận: không có C. Ngân hàng câu hỏi: 1/ Một số tính chất của chất lỏng. Giả thiết của Newtơn? 2/ Hiểu biết về khái niệm dòng chảy và các đặc trƣng thuỷ lực? 3/ Phân biệt các loại lực tác dụng? 4/ Chất lỏng lý tƣởng và chất lỏng thực khác nhau cơ bản ở đặc tính gì? Hãy trình bày về đặc tính đó?