Microsoft Word CO LUU CHAT doc TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH Giáo trình môn Cơ Lưu Chất GVC MSc Đặng Quý CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA LƯU CHẤT 1 1 Đối[.]
KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA LƯU CHẤT 1.1 Đối tượng, nhiệm vụ phương pháp nghiên cứu 1.1.1 Đối tượng Nước đối tượng nghiên cứu môn học lưu chất Để tìm cách bắt nước phục vụ sinh hoạt sản xuất đồng thời ngăn chặn tai họa mà nước gây ra, lồi người phải tìm hiểu quy luật chi phối nước trạng thái tĩnh trạng thái chuyển động Hoạt động sản xuất lồi người phát triển đối tượng nghiên cứu lưu chất ngày tăng Vì ngày nay, đối tượng nghiên cứu lưu chất chất chảy chất lỏng : nước, dầu, cồn, kim loại nấu chảy… chất khí, hỗn hợp Do liên kết học phân tử số tính chất chất lỏng (liquid) chất khí (gas) gần giống nên gọi chung chúng “lưu chất” Các chất lỏng khác chất khí chỗ : khoảng cách phân tử chất lỏng nhỏ nên sinh lực dính phân tử lớn Lực có tác dụng làm cho chất lỏng giữ thể tích thay đổi áp suất, nhiệt độ thay đổi…tức chất lỏng khó bị nén Trong chất khí dễ dàng co lại bị nén Vì người ta thường coi chất lỏng có tính khơng chịu nén cịn chất khí “lưu chất” nén Tuy nhiên, điều kiện áp suất, nhiệt độ bình thường khơng thay đổi với chuyển động có vận tốc nhỏ xem chất khí “lưu chất” không chịu nén Đối tượng môn học lưu chất chất lỏng chất khí khơng bị nén Tuy nhiên, số phần giáo trình này, tác giả có mở rộng giới thiệu phương trình dùng cho chất lỏng chất khí bị nén để sinh viên nhận thấy có khác giải vấn đề liên quan đến chất khí chất lỏng 1.1.2 Nhiệm vụ Cơ học lưu chất nghiên cứu quy luật cân chuyển động học lưu chất, lực tác động qua lại chất lỏng với vật ngập bao quanh cách ứng dụng quy luật vào thực tế sản xuất Cơ học lưu chất ứng dụng nhiều ngành khoa học kỹ thuật như: kỹ thuật cơng trình, khí động lực, chế tạo máy, tự động hóa q trình điều khiển, giao thơng, thủy lợi, thủy điện, kỹ thuật hàng không, nông nghiệp, lâm nghiệp… 1.1.3 Phương pháp nghiên cứu Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Quý TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH Bản chất tượng lưu chất thường vật lý học, cơng cụ để giải tốn lưu chất tốn học, phải nắm vững số kiến thức toán, học,vật lý số khái niệm sức bền vật liệu giải vấn đề lưu chất Khi giải toán lưu chất, phải áp dụng nguyên lý học vật lý như: nguyên lý bảo toàn khối lượng, bảo tồn động lượng mơmen động lượng, bảo tồn lượng Phương pháp nghiên cứu môn học kết hợp chặt chẽ phân tích lý luận với phân tích tài liệu thí nghiệm, thực tế đo để giải vấn đề kỹ thuật Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm là: - Phương pháp dùng đại lượng vô nhỏ - Phương pháp dùng đại lượng trung bình (hay thể tích hữu hạn) - Phương pháp phân tích thứ nguyên - Phương pháp tương tự mơ hình hóa 1.2 Một số tính chất vật lý lưu chất 1.2.1 Tính chất chung Lưu chất có tính liên tục dễ di động, khơng có hình dạng định mà mang hình dạng bình chứa ống dẫn Lưu chất không chịu lực kéo lực cắt Các chất nước, dầu, kim loại lỏng… loại lưu chất có tính chống nén cao Các chất khí tích phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ loại lưu chất nén 1.2.2 Khối lượng riêng trọng lượng riêng a Khối lượng riêng khối lượng đơn vị thể tích lưu chất, ký hiệu ρ m ρ= (1-1) V m : khối lượng khối lưu chất V : thể tích khối lưu chất Đơn vị ρ kg/m3 ; Ns2/m4 ρnước (40C) = 103 kg/m3 ρHg (00C) = 13,6.103 kg/m3 ρkk (00C, 760mmHg) = 1,29 kg/m3 b.Trọng lượng riêng trọng lượng đơn vị thể tích lưu chất, ký hiệu γ γ= G V (1-2) G : trọng lượng khối lưu chất V : thể tích khối lưu chất Đơn vị γ N/m3, kg/m2s2 Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG Quan hệ khối lượng riêng trọng lượng riêng: γ = ρ.g (1-3) g gia tốc trọng trường, tính toán lấy g = 9,81 m/s2 Một số tài liệu thường dùng tỉ trọng (hoặc tỉ khối) , ký hiệu δ δ= γ γnước = ρ (1-4) ρnước Khối lượng riêng, trọng lượng riêng chất lỏng phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ 1.2.3 Tính nén tính dãn nở a Tính nén tính thay đổi thể tích lưu chất áp suất tác dụng lên chất lỏng thay đổi, đặc trưng hệ số nén βp βp = – dV dp V (1-5) Trong dV lượng thay đổi thể tích, V thể tích ban đầu, dp lượng thay đổi áp suất Đơn vị βp m2/N Trong kỹ thuật hay dùng mô đun đàn hồi thể tích lưu chất, ký hiệu E E= dp =βp dV V (1-6) Đơn vị E N/m2 Với nước, nhiệt độ từ 00C đến 200C áp suất từ 1at đến 500 at E = 2.109 N/m2 tức βp = 0,5.10-9 m2/N ; giá trị nhỏ, người ta coi nước không nén được: ρ = const ; trừ trường hợp tượng nước va đường ống dài có áp b Tính dãn nở tính thay đổi thể tích lưu chất nhiệt độ tác dụng lên lưu chất thay đổi, đặc trưng hệ số dãn nở βt βt = dV dT V (1/độ) (1-7) Trong dT lượng thay đổi nhiệt độ Với nước, t = ÷ 100C có βt = 0,00014 (1/độ); t = 10 ÷ 200C có βt = 0,00015 (1/độ) Đối với lưu chất nén (các chất khí lý tưởng) quan hệ khối lượng riêng ρ, áp suất p nhiệt độ T biểu diễn phương trình trạng thái: Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG pv = RT (1-8) Trong đó: v thể tích riêng : v = ρ R số chất khí : R = 8314 ( M khối lượng mol khí) Đối với khơng M khí R = 278 J/Kg.độ 1.2.4 Tính nhớt Đây tính chất quan trọng lưu chất nguyên nhân gây tổn thất lượng lưu chất chuyển động Khi lớp lưu chất chuyển động chúng có chuyển động tuyên đối, nảy sinh ma sát tạo nên biến đổi phần thành nhiệt Lực ma sát gọi lực ma sát Tính làm nảy sinh ma sát hay ứng suất tiếp lớp lưu chất chuyển động gọi tính nhớt Tính nhớt biểu sức dính phân tử lưu chất Năm 1686 Newton làm thí nghiệm đưa giả thuyết lực nhớt (lực ma sát trong), đến năm 1883 Petrôp kiểm tra thực nghiệm xác nhận Định luật ma sát Newton phát biểu sau: “ Lực ma sát lớp lưu chất chuyển động tỷ lệ với diện tích tiếp xúc lớp đó, khơng phụ thuộc vào áp lực, phụ thuộc vào gradient vận tốc theo phương thẳng góc với phương chuyển động phụ thuộc vào loại lưu chất” Định luật ma sát Newton viết dạng biểu thức: du T = µ.S (1-9) dy T : lực ma sát hai lớp lưu chất µ : hệ số nhớt động lực, phụ thuộc vào loại lưu chất S : diện tích tiếp xúc hai lớp lưu chất du : gradient vận tốc theo phương vuông góc với dịng chảy, đặc trưng cho tốc dy độ biến dạng chất lỏng (hình 1-1) y T S u0 F u = f(y) dy du u Hình 1-1 Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG Gọi τ ứng suất tiếp τ = T , công thức (1-9) viết dạng : S du τ=μ dy (1-10) Công thức (1-9) (1-10) dùng cho dịng chảy tầng Đơn vị µ Ns/m2, Poazơ (P), centiPoazơ (cP) 1P = 100cP = 0,1 Ns/m2 Tính nhớt cịn đặc trưng hệ số nhớt động học ν ν= µ ρ (1-11) Đơn vị ν m2/s, Stôc (St), centiStôc (cSt) St = 100 cSt = 1cm2/s = 10-4 m2/s Ngoài đơn vị St, độ nhớt động học đo đơn vị khác như: độ Engler 0E (Liên Xô cũ), giây Redwood “ R (Anh), giây Saybolt” S (Mỹ), độ Barbey B (Pháp) Giữa đơn vị St đơn vị có cơng thức biến đổi Ví dụ công thức biến đổi từ độ Engler Stôc ν(St) = 0,07310E – 0,0631 E (1-12) Để đo độ nhớt lưu chất, có nhiều loại dụng cụ khác dùng thực tế Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất Độ nhớt chất lỏng tăng nhiệt độ giảm áp suất tăng Đối với chất khí ngược lại Ở nghiên cứu lưu chất tuân theo định luật ma sát Newton biểu thị công thức (1-9) (1-10) gọi chất lỏng Newton Lưu chất thơng thường nước, khơng khí Cịn chất dẻo, sơn, hắc ín, hồ chất chảy, chúng chất lỏng phi Newton Ở chất lỏng Newton, ứng suất tiếp tỷ lệ thuận với tốc độ biến dạng, bắt đầu với ứng suất không tốc độ biến dạng khơng (hình 1-2) Chất lỏng phi Newton τ Chất lỏng Newton du/dv Hình 1-2 Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH 1.2.5 Sức căng bề mặt Trong nội lưu chất, lực phân tử tự cân Tại biên giới (chỗ tiếp xúc với chất khí, chất rắn ) lực phân tử khơng cân bằng, hình thành sức căng bề mặt phân cách, sức căng cố làm cho mặt lưu chất thu nhỏ lại Do sức căng bề mặt mà giọt nước có dạng hình cầu Trong đa số trường hợp, sức căng bề mặt khơng cần xét đến nhỏ nhiều so với lực khác Trường hợp có tượng mao dẫn phải tính đến sức căng bề mặt 1.2.6 Tính bốc độ hịa tan chất khí chất lỏng Tính bốc phụ thuộc vào chất lưu chất điều kiện môi trường xung quanh Chất lỏng có khả hút hịa tan khí tiếp xúc với Ví dụ : nhiệt độ áp suất bình thường nước chứa lượng khí vào khoảng 2% thể tích 1.2.7 Sự trao đổi nhiệt khối lượng a Sự truyền nhiệt đặc trưng định luật Furie q = λq dT dn (J/m2s hay W/m2) (1-13) b Sự truyền khối đặc trưng định luật Fich dc m=D (Kg/m2/s) (1-14) dn Với q, m nhiệt lượng khối lượng truyền qua đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc đơn vị thời gian T, c : nhiệt độ nồng độ lưu chất λ : hệ số dẫn nhiệt, đơn vị tính : W/m.độ D : hệ số khuyếch tán, đơn vị tính : m2/s n : chiều dài theo phương pháp tuyến bề mặt đẳng nhiệt đẳng khối 1.3 Khái niệm lưu chất lý tưởng Trong thiên nhiên lĩnh vực sản xuất, lưu chất có tính chất vật lý : ta gọi chúng lưu chất thực Nhưng để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta đưa khái niệm lưu chất lý tưởng Lưu chất lý tưởng có tính chất sau: - Khơng có tính nhớt (µ = 0) - Hồn tồn di động - Hồn tồn khơng chống lực kéo lực cắt - Hồn tồn khơng nén Điểm khác lưu chất thực lưu chất lý tưởng tính nhớt, cịn tính chất khác lưu chất thực gần đạt lưu chất lý tưởng Có nghĩa Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Quý TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH lưu chất lý tưởng lưu chất khơng có ma sát lớp lưu chất chuyển động tương nên không bị lượng chuyển động 1.4 Lực tác dụng lên lưu chất Lực tác dụng lên lưu chất chia làm hai làm hai loại 1.4.1 Lực bề mặt loại lực tác dụng lên mặt khối lưu chất ta xét, tỷ lệ với diện tích mặt tác dụng Ví dụ : áp lực khơng khí lên mặt thoáng, áp lực piston lên mặt giới hạn khối chất lỏng, lực ma sát… 1.4.2 Lực khối loại lực tác dụng lên tất phân tố lưu chất tỷ lệ với khối lượng khối lưu chất Ví dụ: trọng lực lực qn tính… BÀI TẬP Tìm độ nhớt động lực dầu mazut, biết khối lượng riêng dầu ρ = 900 kg/m3 độ nhớt Engler 80E Một phẳng có trọng lượng G = 7,85 N, diện tích S = 64 cm trượt mặt phẳng u δ nghiêng có dầu bơi trơn với vận tốc u = 50 cm/s Góc nghiêng α = 12 Bề dày lớp dầu δ = 0,5 mm Dầu chảy tầng có γ = 8820 N/m3 α Xác định độ nhớt µ ν lưu chất (cho chiều dày lớp dầu δ mỏng nên xem G phân bố vận tốc lớp dầu tuyến tính) Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Quý