1. Trang chủ
  2. » Giáo án - Bài giảng

Bài giảng Hóa công 1: Thuyết đồng dạng và phương pháp phân tích thứ nguyên

23 5 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Bài giảng Hóa công 1: Thuyết đồng dạng và phương pháp phân tích thứ nguyên được biên soạn với các nội dung chính sau: Thuyết đồng dạng; Định số đồng dạng và chuẩn số đồng dạng; Các Định lý đồng dạng; Phương pháp phân tích thứ nguyên;... Mời quý thầy cô và các em sinh viên cùng tham khảo bài giảng!

Thuyết đồng dạng Phương pháp phân tích thứ nguyên Bộ mơn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Thuyết đồng dạng và Phương pháp phân tích thứ ngun • Dùng để nghiên cứu chuyển quy mơ của các q trình sản xuất:  Phịng thí nghiệm – Pilot (bán sản xuất) – Sản xuất (cơng nghiệp) • Phịng TN: tìm ra các thơng số thích hợp của q trình: to, P, xúc tác, … • Chuyển quy mơ: tăng kích thước thiết bị, thời gian thực hiện, … • Phương  pháp  nghiên  cứu  q  trình  và  thiết  bị  bằng  mơ  hình  thực  nghiệm gọi là phương pháp mơ hình ­ Khi chuyển quy mơ: mơ hình trong sản xuất, pilot  đồng dạng với mơ  hình trong phịng thí nghiệm, dựa trên Lý thuyết đồng dạng ­ Thực  chất  là  phương  pháp  đúc  kết,  khái  qt  hóa  các  số  liệu  thực  nghiệm để rút ra các quy luật chung cho các q trình đồng dạng với  I Thuyết đồng dạng Những điều kiện đồng dạng Các hiện tượng  đồng dạng nhau khi tỷ lệ của các đại lượng tượng tự đặc trưng  của chúng là đại lượng khơng đổi theo 4 điều kiện sau: a.  Đồng  dạng  hình  học:  hai  vật  đồng  dạng  về  hình  học  khi  kích  thước  tương  ứng song song với nhau và có tỷ lệ khơng đổi L2 D D L1 l2 l1 H H d h L3 l3 L1/l1 = L2/l2 = L3/l3 = al = const a  ­ hằng số đồng dạng   h d D/d = H/h = al = const Hằng số đồng dạng là tỉ lệ giữa hai đại lượng tương ứng của hai hệ đồng  dạng I Thuyết đồng dạng + Đồng dạng về thời gian: Tỷ lệ giữa các khoảng thời gian mà những điểm  hay  những  phần  tử  của  hệ  thống  đồng  dạng  chuyển  động  theo  những  quĩ  đạo đồng dạng hình học là một đại lượng khơng đổi τ 1/τ ’1 = τ 2/τ ’2 = τ 3/τ ’3 = aτ = const  + Đồng dạng vật lý: Những thơng số vật lý của hai điểm hay hai phần tử  tương ứng trong hệ thống đồng dạng về khơng gian và thời gian có tỷ lệ  giữa những đại lượng cùng loại là một đại lượng khơng đổi w1/w’1 = w2/w’2 = w3/w’3 = aw = const  ρ 1/ ρ ’1 = ρ 2/ ρ ’2 = ρ  3/ ρ ’3 = aρ = const  + Đồng dạng về điều kiện đầu và điều kiện biên:  những điều kiện đầu  và điều kiện biên của hai hệ đồng dạng nhau cũng phải đồng dạng với  nhau.  I Thuyết đồng dạng Định số đồng dạng chuẩn số đồng dạng Tỷ lệ của 2 đại lượng cùng kiểu, tại 2 điểm khác nhau của cùng một  hệ thống với một hệ thống đồng dạng là một đại lượng không đổi  L2 L1/l1 = L2/l2 = L3/l3 = al = const L1 l2 L1/L2 = l1/l2 = il = const L1/L3 = l1/l3 = i’l = const l1 L2/L3 = l2/l3 = i’’l = const L3 l3 a ­ hằng số đồng dạng  i ­  định số đồng dạng (đơn hệ) Là các đại lượng khơng có thứ  ngun  I Thuyết đồng dạng Định số đồng dạng chuẩn số đồng dạng Định số đồng dạng cấu tạo bởi các đại lượng khác nhau không cùng  loại gọi là chuẩn số đồng dạng Định luật Niu tơn F dw m d Chuẩn số số Niu tơn F mw idem Chuẩn số đồng dạng:  Là đại lượng khơng có thứ ngun,  Định số đồng dạng là chuẩn số đồng dạng đơn giản  Re = chuẩn số Renold I Thuyết đồng dạng Các chuẩn số đồng dạng     ­  Lý  thuyết  đồng  dạng  cho  phép  biến  đổi  phương  trình  vi  phân  mơ  tả  một  q  trình  thành  một  phương trình chuẩn số   ­  Các  quá  trình  vận  chuyển  chất  lỏng,  truyền  nhiệt,  chuyển  khối,…  đều  có  thể  được  biểu  thị  qua  chuẩn số đồng dạng   ­  Mỗi  chuẩn  số  đồng  dạng  đều  phản  ánh  một  hiện  tượng và mang tên người đã lập ra nó I Thuyết đồng dạng Các Định lý đồng dạng Định lý 1: Các chuẩn số đồng dạng tương ứng của các hiện tượng đồng  dạng với nhau có cùng trị số F1 m1w1 F2 m2 w2 hay F1 F2 m1w1 m2 w2 Trong đó F1 F2 Rút ra aF a am a w aF ; C w1 a; w2 m1 aw ; m2 Chỉ số  đồng dạng am I Thuyết đồng dạng Các Định lý đồng dạng Định lý 2: Mỗi phương trình biểu thị cho mối liên hệ giữa các đại lượng  đặc trưng cho một q trình vật lý nào đó đều có thể viết dưới dạng một  hàm của các chuẩn số đồng dạng f K1 , K , K , , K n Phương trình  chuẩn số Định lý 3: Các hiện tượng được coi là đồng dạng với nhau nếu các  điều kiện đơn trị đồng dạng với nhau và những chuẩn số xác định  được cấu tạo từ chúng có trị số như nhau II. Phương pháp phân tích thứ ngun Nhiệm vụ: Lập các chuẩn số độc lập cho một q trình cần nghiên cứu Nếu q trình được mơ tả từ một phương trình vi phân thì các chuẩn  số sẽ được lập trực tiếp từ phương trình đó Các q trình khác: từ các biến  ảnh hưởng đến q trình và các thứ  ngun của chúng để lập các định số và các chuẩn số.  Từ đó có thể xây dựng phương trình chuẩn số mơ tả q trình:   f(Π 1, Π 2, Π 3, Π 4,…) = 0 Phương pháp phân tích thứ ngun Định lý π • Một  hiện  tượng  (q  trình)  có  n  biến  số  (yếu  tố  ảnh  hưởng),  các  biến số này có  m đơn vị cơ bản của thứ ngun thì có thể lập được  (n­m) tích lũy thừa khơng thứ ngun của các biến ấy. Điều kiện (n­ m)>0 • Hiện tượng đó có (n­m) chuẩn số đồng dạng Phương pháp phân tích thứ ngun Ví dụ Xét q trình: nước chảy trong  ống dẫn nằm ngang, dịng chảy  ổn định,  liên tục, chốn đầy ống ­ Các  biến  số  của  quá  trình:  d(m),  l(m),  w(m/s),  ρ(kg/m3),  μ(Ns/m2),  ΔP(N/m2), ε(m), λ(N) ­ n = 8, m = 3              Số chuẩn số có thể lập được: (n­m) = (8­3) = 5   f(Eu, Re, Fr, l/d, ε /d, ) = 0 Eu = C. Rem, Frn, (l/d)k, (ε /d)q Phương pháp phân tích thứ ngun Vận dụng thực tiễn phân tích thứ ngun • Các q trình vận chuyển chất lỏng, truyền nhiệt, chuyển khối, … đều có thể được biểu thị qua phương trình chuẩn số.  • Lý  thuyết  đồng  dạng  cho  phép  biến  đổi  phương  trình  vi  phân  mơ tả một q trình thành các chuẩn số đồng dạng của q trình  • Phương  pháp  phân  tích  thứ  ngun  cho  phép  thiết  lập  các  chuẩn số đồng dạng của q trình từ các biến số ảnh hưởng đến  q trình đó • Phương  trình  chuẩn  số  mơ  tả  một  q  trình  được  xây  dựng  từ  các chuẩn số vừa được thiết lập, hệ số và các số mũ được xác  định từ thực nghiệm Phương pháp phân tích thứ nguyên Vận dụng thực tiễn phân tích thứ ngun ­ u cầu q trình xác định bằng thực nghiệm:   ­ giảm tối đa các điểm đo,   ­ đảm bảo độ chính xác cần thiết  ­ n­m chuẩn số độc lập được xác định từ phương trình vi phân  tuyến tính với nhiều phương pháp Phép thử hệ thống Ngun tắc Kramer Dùng đại lượng chuẩn (làm đại lượng dẫn) Cấu tạo từ các thơng số vật lý Lập từ phương trình vi phân Ưu điểm • Phương pháp phân tích thứ ngun Ứng dụng trực tiếp các chuẩn số vào tính tốn chuyển qui mơ, trên cơ  sở đặt chúng bằng nhau  Mơ hình lý thuyết dựa trên nghiên cứu các qui luật  tự nhiên sẽ tương hợp hồn tồn với mơ hình thực, nếu mọi chuẩn số được  thiết lập từ mơ hình lý thuyết có giá trị bằng giá trị của các chuẩn số tương  ứng của mơ hình thực • Giảm lượng biến cơ bản Tiết kiệm thời gian thực nghiệm.  • Các biến và hàm (khơng thứ ngun) độc lập với hệ đơn vị đo  giảm thời  gian tổng kết số liệu • Làm  xuất  hiện  những  điều  mà  trước  đây  chưa  biết:  Khi  quan  sát  q  trình, có thể phát hiện một số đại lượng (biến) mà trước đó chưa biết.Ngược  lại, từ các đại lượng chưa biết, xuất hiện ra các q trình chưa biết • Đưa ra qui luật định tính cho tồn bộ diễn biến q trình được đặc trưng  chỉ qua một chuẩn số Giới hạn • Phương pháp phân tích thứ ngun Bằng phân tích thứ ngun, khó hình thành một quan hệ hàm số giữa các  biến khơng thứ ngun, mà phải dựa trên biểu thức vật lý Phân tích thứ  ngun dựa trên qui luật tốn học: cơ sở, điều kiện, phương trình, thuật tốn.  Kết quả của phân tích thứ ngun là đưa ra chuẩn số. Phải tiến hành thực  nghiệm mới đưa ra hàm số. Địi hỏi phải có hàng loạt giả thiết mới: quan hệ  giữa các biến riêng lẻ, dạng phương trình,… • Xuất hiện đồng dạng cục bộ dẫn tới sự tồn tại của các chuẩn số khác nhau  ở hai qui mơ, nên sẽ khơng có đồng dạng hồn tồn. Trong nhiều q trình phức  tạp, có những biến cùng loại và khác loại (thơng số vật lý, thơng số trạng thái)  khơng có khả năng giữ ngun đồng dạng hồn tồn. Trong trường hợp này  phải xử lý theo ngun tắc đồng dạng cục bộ từ pt vi phân thì dễ nhận biết về  mặt ý nghĩa vật lý hơn là từ các phương pháp phân tích đơn thuần Giới hạn • Phương pháp phân tích thứ ngun Thiếu kiến thức về q trình thì khơng thể vận dụng hữu hiệu lý thuyết  đồng dạng phải phân tích các qui luật của q trình đúng rồi mới lập được các  chuẩn số độc lập và phân tích thứ ngun mới có ý nghĩa • Các dạng chuẩn số cần được phân tích rõ, để khẳng định là nó thực sự  độc lập nhau dạng thực, hay phụ thuộc nhau dạng giả Các chuẩn số thiết  lập từ phương trình vi phân thì dễ nhận biết về mặt ý nghĩa vật lý hơn là từ  các phương pháp phân tích đơn thuần Phương pháp phân tích thứ ngun Sơ đồ xác định chuẩn số  (1) Tìm hiểu kỹ luỡng về các nhiệm vụ cần giải quyết Có sơ đồ khối  cho các bước thực hiện chính, xác định u cầu của việc chuyển qui  mơ, u cầu độ chính xác cần thiết, chỉ rõ khó khăn phát sinh, … (2) Đặt các giả thiết cần có cho các bước thực hiện chuyển qui mơ  (ví dụ: dịng ổn định, q trình đẳng nhiệt,…) (3)  Tổng  hợp  các  đại  lượng  cơ  bản  ảnh  hưởng  đến  q  trình  bao  gồm: ­ Thiết bị ­ Các thơng số q trình ­ Các thơng số vật lý ­ Các biến q trình ­ Các điều kiện biên Phương pháp phân tích thứ ngun Sơ đồ xác định chuẩn số (4) Lập bảng danh sách các đại lượng ở mục 3. Một cột là tên đại  lượng, một cột là thứ ngun, Các đại lượng có thứ ngun xếp  trước, khơng thứ ngun xếp sau (5) Ước lược các đại lượng cùng loại để có một đại lượng duy nhất  bằng cách lập tỉ số các đại lượng cùng loại, mỗi tỷ số này thay thế  cho cặp đại lượng đó (6) Xác định các chuẩn số quen biết (7) Xác định tiếp các chuẩn số cịn lại Mỗi chuẩn số đã xác định được  cho phép loại bỏ dần các đại lượng có mặt. Sau 6 bước, tiếp tục lập  những chuẩn số mới có trong dnah sách đến khi khơng cịn đại lượng  nào có thứ ngun trong danh sách Phương pháp phân tích thứ ngun Sơ đồ xác định chuẩn số (8) Đưa ra các chuẩn số hợp lý. Thu được các chuẩn số độc lập với  nhau. Phân loại thành các chuẩn số thơng dụng và chuẩn số đặc  trưng riêng (9) Kiểm tra: ­ đơn vị của các chuẩn số  =1 ­ Một trong n các đại lượng có thứ ngun phải có mặt trong ít nhất một  chuẩn số. Loại trừ các địa luợng phụ thuộc và những địa lượng có  chứa đơn vị cơ sở ­ Các chuẩn số lập được phải độc lập với nhau. Để dễ dàng biết được  sự xuất phát của các chuẩn số (10) Xử lý tiếp tục các chuẩn số vừa tìm được.  Những chuẩn số tìm  được sẽ là cơ sở cho mơ mình hóa, Mơ hình tốn học được lập rất  cần thiết cho việc chuyển qui mơ Phương pháp lập các chuẩn số từ phương trình vi phân (1) Tìm hiểu kỹ luỡng về các nhiệm vụ cần giải quyết  (2) Đặt các giả thiết cần có cho các bước thực hiện chuyển qui mơ  (ví dụ: dịng ổn định, q trình đẳng nhiệt,…) (3) Lập phương trình vi phân mơ tả q trình và các điều kiện biên (4) Lập danh sách các hằng số đồng dạng cho tất cả các đại lượng  tồn tại trong phương trình vi phân và điều kiện biên Phương pháp lập các chuẩn số từ phương trình vi phân (5) Lập các phương trình điều kiện cho các hằng số đồng dạng từ  phương trình vi phân và điều kiện biên: ­  ước lược tất cả các đại lượng tồn tại trong phương trình vi  phân và điều kiện biên qua tích số giữa các đại lượng và hằng  số đồng dạng thuộc nó ­ đưa các hằng số đồng dạng ra khỏi dấu tích phân ­ đặt các hệ số bằng nhau (chỉ cho các đại lượng độc lập) (6) Đưa ra các chuẩn số từ các phương trình điều kiện (7) Đưa ra các chuẩn số độc lập phù hợp cho q trình (8) Xử lý tiếp tục các chuẩn số để đạt được mục tiêu sử dụng Các chuẩn số đồng dạng thủy động lực học  1. Chuẩn số Reynold: 2. Chuẩn số Euler: 3. Chuẩn số Fruit: 3. Chuẩn số Galile: ­ l: kích thước hình học đặc trưng, m ­ ρ: khối lượng riêng của chất lỏng,  ­ w: vận tốc của dịng, m/s kg/m3 ­ g: gia tốc trọng trường, m/s2 ­ μ: độ nhớt động lực của chất lỏng,  Ns/m2 ­ ν: độ nhớt động học của chất lỏng, St ... mặt ý nghĩa vật lý hơn là từ các? ?phương? ?pháp? ?phân? ?tích? ?đơn thuần Giới hạn • Phương? ?pháp? ?phân? ?tích? ?thứ? ?ngun Thiếu kiến thức về q trình thì khơng thể vận dụng hữu hiệu lý? ?thuyết? ? đồng? ?dạng? ?phải? ?phân? ?tích? ?các qui luật của q trình đúng rồi mới lập được các ... L3 l3 a ­ hằng số? ?đồng? ?dạng? ? i ­  định số? ?đồng? ?dạng? ?(đơn hệ) Là các đại lượng khơng có? ?thứ? ? ngun  I Thuyết đồng dạng Định số đồng dạng chuẩn số đồng dạng Định số? ?đồng? ?dạng? ?cấu tạo bởi các đại lượng khác nhau không cùng ... chuẩn số? ?đồng? ?dạng   ­  Mỗi  chuẩn  số  đồng? ? dạng? ? đều  phản  ánh  một  hiện  tượng? ?và? ?mang tên người đã lập ra nó I Thuyết đồng dạng Các Định lý đồng dạng Định lý? ?1:? ?Các chuẩn số? ?đồng? ?dạng? ?tương ứng của các hiện tượng? ?đồng? ?

Ngày đăng: 02/02/2023, 12:09

Xem thêm:

Mục lục

    Thuyết đồng dạng và Phương pháp phân tích thứ nguyên

    Các chuẩn số đồng dạng

    Vận dụng thực tiễn của phân tích thứ nguyên

    Sơ đồ xác định chuẩn số

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w