Giáo trình thủy lực (cao đẳng, 2018) ths đặng hòa dũng (chủ biên)

MỤC LỤC MỤC LỤC Chương MỞ ĐẦU - CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG 1.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1.1 Định nghĩa khoa học 1.1.2 Phương pháp nghiên cứu 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN, ỨNG DỤNG CỦA KHOA HỌC THỦY LỰC 1.2.1 Trước kỷ XVII 1.2.2 Thế kỷ XVII đến kỷ XX 1.2.3 Sự phát triển thủy lực học kỷ thứ XIX 1.2.4 Những hướng phát triển thủy lực học lĩnh vực xây dựng cơng trình 1.2.5 Khoa học thủy lực Việt Nam 10 1.3 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG 11 1.3.1 Khối lượng 11 1.3.2 Trọng lượng 11 1.3.3 Tính thay đổi thể tích áp lực nhiệt độ thay đổi 12 1.3.4 Sức căng mặt 13 1.4 LỰC TÁC DỤNG TRONG CHẤT LỎNG - CHẤT LỎNG LÝ TƯỞNG 14 1.4.1 Lực tác dụng chất lỏng 14 1.4.2 Chất lỏng thực - Chất lỏng lý tưởng 16 1.4.5 Tính nhớt 18 Chương 22 THUỶ TĨNH HỌC 22 2.1 ÁP LỰC THUỶ TĨNH – ÁP SUẤT THỦY TĨNH 22 2.2 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ÁP SUẤT THUỶ TĨNH 23 2.3 CÔNG THỨC TĨNH HỌC CƠ BẢN - ĐỊNH LUẬT PASCAN 25 2.3.1 Công thức tĩnh học 25 2.3.2 Mặt đẳng áp chất lỏng trọng lực 26 2.3.3 Định luật Pascan 26 2.4 CÁC LOẠI ÁP SUẤT - CHIỀU CAO ĐO ÁP SUẤT 28 2.4.1 Các loại áp suất 28 2.4.2 Chiều cao đo áp suất 29 2.5 TÍNH TỐN ÁP LỰC THỦY TĨNH 32 2.5.1 Áp lực thủy tĩnh lên mặt phẳng 32 2.5.2 Áp lực thủy tĩnh lên mặt cong: 37 2.6 ĐỊNH LUẬT ACSIMET 41 2.6.1 Sự cân vật rắn ngập hoàn toàn chất lỏng 41 2.6.2 Sự cân vật rắn lên mặt tự chất lỏng 42 Chương 49 CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LỎNG 49 3.1 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LỎNG - KHÁI NIỆM CƠ BẢN 49 3.1.1 Khái niệm 49 3.1.2 Các phương pháp nghiên cứu dòng chất lỏng chuyển động 49 3.2 CÁC YẾU TỐ MƠ TẢ DỊNG CHẤT LỎNG CHUYỂN ĐỘNG 51 3.2.1 Chuyển động không ổn định chuyển động ổn định 51 3.2.2 Quỹ đạo đường dòng 52 3.2.3 Dòng nguyên tố dòng chảy 53 3.3 CÁC YẾU TỐ THỦY LỰC DÒNG CHẤT LỎNG CHUYỂN ĐỘNG 54 3.3.1 Mặt cắt ướt 54 3.3.2 Chu vi ướt 55 3.3.2 Bán kính thủy lực 55 3.4 PHÂN LOẠI DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LỎNG 57 3.4.1 Dòng chảy đầu dòng chảy không đều: 57 3.4.2 Dịng chảy có áp, khơng áp, dịng tia: 57 3.4.3 Dòng chảy thay đổi dần dòng chảy thay đổi đột ngột: 57 3.5 PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC CỦA DỊNG CHẢY ỔN ĐỊNH 58 3.5.1 Cơ sở thiết lập phương trình: 58 3.5.2 Phương trình liên tục dịng nguyên tố chảy ổn định 58 3.5.3 Phương trình liên tục dịng ngun tố chảy ổn định 59 3.6 PHƯƠNG TRÌNH BECNULI CỦA DỊNG CHẢY ỔN ĐỊNH 60 3.6.1 Chất lỏng lý tưởng 60 3.6.2 Chất lỏng thực 62 3.6.3 Ý nghĩa thủy lực lượng phương trình 63 3.6.4 Ứng dụng phương trình Becsnuly 66 Chương 72 SỨC CẢN THỦY LỰC - TỔN THẤT CỘT NƯỚC 72 4.1 CÁC DẠNG TỔN THẤT CỘT NƯỚC 72 4.2 THÍ NGHIỆM RÂYNƠN 73 4.2.1 Thí nghiệm Râynôn 73 4.2.2 Tiêu chuẩn phân biệt hai trạng thái chảy 75 4.2.3 Ảnh hưởng trạng thái chảy quy luật tổn thất cột nước 76 4.3 TÍNH TỐN TỔN THẤT CỘT NƯỚC DỌC ĐƯỜNG 78 4.3.1 Tính tốn tổn thất dọc đường theo công thức Darcy 78 4.3.2 Tính tốn tổn thất dọc đường theo công thức Sedi 79 4.3.3 Những công thức xác định hệ số Darcy  79 4.3.4 Những công thức kinh nghiệm xác định hệ số Sedi C 81 4.4 TỔN THẤT CỘT NƯỚC CỤC BỘ 82 4.4.1 Trường hợp dòng chảy mở rộng đột ngột 83 4.4.2 Trường hợp dòng chảy co hẹp đột ngột 84 4.4.3 Một số dạng tổn thất cục ống 86 4.5 TỔN THẤT CỘT NƯỚC TOÀN PHẦN 88 Chương 88 TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG 88 5.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 88 5.2 TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG DÀI 89 5.2.1 Tính tốn thủy lực ống dài đơn 89 5.2.2 Tính tốn thủy lực ống dài phức 90 5.3 TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG NGẮN 91 5.3.1 Chảy tự qua ống ngắn 91 5.3.2 Chảy ngập qua ống ngắn 92 5.4 ĐƯỜNG KÍNH KINH TẾ, VẬN TỐC KINH TẾ 93 5.5 TÍNH TỐN THỦY LỰC MẠNG LƯỚI PHÂN NHÁNH 95 5.6 TÍNH TỐN THỦY LỰC MẠNG LƯỚI KHÉP KÍN 96 Chương 99 TÍNH TỐN THỦY LỰC DỊNG CHẢY TRONG KÊNH 99 6.1 DÒNG CHẢY ĐỀU TRONG KÊNH HỞ 100 6.1.1 Khái niệm công thức 100 6.1.2 Tính tốn thủy lực dịng chảy kênh hở 102 6.2 DỊNG CHẢY KHƠNG ĐỀU TRONG KÊNH HỞ 105 6.2.1 Khái niệm chung 105 6.2.2 Năng lượng đơn vị 106 6.2.3 Nước nhảy, nước đổ 106 Chương MỞ ĐẦU - CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG Mục tiêu chương 1: Sau học xong chương này, sinh viên nắm - Đối tượng phương pháp nghiên cứu môn học Thủy lực; - Ôn lại kiến thức tính chất vật lý chất lỏng; - Lực tác dụng chất lỏng; - Khái niệm chất lỏng lý tưởng 1.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1.1 Định nghĩa khoa học Thủy lực định nghĩa môn khoa học ứng dụng nghiên cứu qui luật cân chuyển động chất lỏng biện pháp áp dụng qui luật Cơ sở môn thủy lực học chất lỏng lý thuyết; môn nghiên cứu qui luật cân chuyển động chất lỏng, phương pháp nghiên cứu chủ yếu sử dụng công cụ toán học phức tạp Phương pháp nghiên cứu môn thủy lực đại kết hợp chặt chẽ phân tích lý luận với phân tích tài liệu thí nghiệm, thực đo, nhằm đạt tới kết cụ thể để giải vấn đề thực tế kỹ thuật; kết nghiên cứu mơn thủy lực có tính chất lý luận nửa lý luận nửa thực nghiệm hoàn toàn thực nghiệm Do mơn thủy lực cịn gọi môn học chất lỏng ứng dụng học chất lỏng kỹ thuật Kiến thức khoa học thủy lực cần cho người cán kỹ thuật ngành thủy lợi, giao thơng đường thủy, cấp nước cần nhiều áp dụng khoa học thủy lực, thí dụ để giải cơng trình đập, đê, kênh, cống, nhà máy thủy điện, tuốc bin, cơng trình đường thủy, chỉnh trị dịng sơng, hệ thống dẫn tháo nước v.v Trong khoa học thủy lực đại hình thành nhiều lĩnh vực nghiên cứu chuyên môn thủy lực đường ống, thủy lực kênh hở, thủy lực cơng trình, thủy lực sơng ngịi, thủy lực dòng thấm v.v Tuy nhiên, tất lĩnh vực nghiên cứu phát triển sở qui luật thủy lực chung mà người ta thường trình bày phần gọi thủy lực đại cương Vì người kỹ sư, người làm công tác nghiên cứu, trước hết cần nắm vững thủy lực đại cương làm sở trước sâu vào thủy lực chuyên môn 1.1.2 Phương pháp nghiên cứu Trong thủy lực học thường dùng ba phương pháp nghiên cứu phổ biến sau đây: - Phương pháp lý thuyết: Sử dụng cơng cụ tốn học, chủ yếu tốn giải tích, phương trình vi phân với toán tử vi phân quen thuộc như: gradient, rotor, toán tử Paplas, đạo hàm toàn phần Sử dụng định lý tổng quát học định lý bảo toàn khối lượng, lượng, định lý biến thiên động lượng, mô men động lượng - Phương pháp thực nghiệm: dùng số trường hợp mà giải ý thuyết (như xác định hệ số cản cục bộ, hệ số  ) - Phương pháp bán thực nghiệm: Kết hợp lý thuyết thực nghiệm Trước nghiên cứu qui luật chung cân chuyển động chất lỏng, cần nắm vững đặc tính học chủ yếu chất lỏng Khi nghiên cứu đặc tính vật lý chủ yếu chất lỏng, qui luật chuyển động cân bằng, cần phải dùng đến hệ đo lường định Trong thực tế Việt Nam kỹ sư thường sử dụng hệ đo lường: hệ kỹ thuật MKGS hệ quốc tế SI Hệ kỹ thuật MKGS quy định: - Độ dài đo mét (m); - Lực đo kilôgam lực (kG); - Thời gian đo giây (s); - Khối lượng xác định lực gia tốc có đơn vị kG.s2/m Hệ quốc tế SI quy định: - Độ dài đo mét (m); - Thời gian đo giây (s); - Lực có đơn vị N, 1N=1kgm/s2 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN, ỨNG DỤNG CỦA KHOA HỌC THỦY LỰC Bộ mơn thủy lực có lịch sử phát triển lâu đời, bắt nguồn từ hàng nghìn năm trước cơng ngun Dấu tích cơng trình xây dựng quy mơ lớn cịn lưu lại đến ngày cơng trình thủy lợi nơng nghiệp, hệ thống tiêu thoát nước thành phố, phát triển ngành hàng hải dầu khí v.v chứng tỏ dân cư văn minh trước nắm kiến thức sâu săc thủy lực Sự phát triển thủy lực phân thành thời kỳ sau: 1.2.1 Trước kỷ XVII Thời kỳ cổ đại Lồi người sống sản xuất có mối quan hệ mật thiết với nước Đến nhiều di tích cơng trình thủy lợi mương, đập, đê, giếng.v.v từ ba bốn nghìn năm trước công nguyên Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc nhiều nơi khác Những kinh nghiệm giải nhu cầu người nước, chống thiên tai, làm thủy lợi truyền miệng từ đời sang đời khác, thủy lực thời cổ đại chưa có sở khoa học nào, người thực cơng trình thủy lợi cách mò mẫm, tiếp cận đến mục đích Thời kỳ cổ Hy Lạp Ở Hy Lạp năm trước công nguyên xuất số luận văn có ý định tổng kết phát triển vài vấn đề thủy lực Nhà toán học Acsimet (287-212 trước công nguyên) để lại luận văn thủy tĩnh học vật nổi, có lý luận ổn định vật mà 20 kỷ sau người ta bổ sung đáng kể Cùng trường phái Alécdăngđờri với Acsimet, có Stêdibiốt phát minh máy bơm chữa cháy, đồng hồ nước, đàn nước v.v PhilenđờBiđanxơ phát triển lý thuyết siphôn, Hêron Alécdăngđờri miêu tả nhiều cấu thủy lực v.v Thời kỳ cổ La mã Người La mã mượn nhiều văn minh Hy Lạp tập trung sức vào chiến chinh cai trị Họ xây dựng nhiều cầu dẫn nước, phần lớn có mặt cắt chữ nhật rộng từ 0,60 đến 0,80m, cao từ 1,5 đến 2,4m, đặt nhiều hệ thống cấp nước chì đất nung, có đồng đá đầu nguồn, đập dâng nước Họ đào nhiều giếng, biết dùng bể lắng v.v Kỹ sư xây dựng người La Mã Phờrôntin, cuối thể kỷ thứ I sau công nguyên, để miêu tả phương pháp đo lưu lượng vòi Thời kỳ Trung cổ Sau sụp đổ đế chế La mã, thời kỳ dài khoảng nghìn năm, sản xuất, văn hóa, khoa học ngừng trệ, mơn thủy lực không phát triển Thời kỳ Phục hưng Trong nửa sau kỷ thứ XV kỷ thứ XVI, bắt đầu phát triển nghiên cứu thực nghiệm Thời kỳ xuất nhà bác học lỗi lạc người Ý LêônađơVanhxi (1452-1592), xuất sắc lĩnh vực hội họa, điêu khắc, âm nhạc, vật lý, giải phẫu, thực vật, địa chất, học, xây dựng, kiến trúc Về mặt thủy lực học, mặt ông thiết kế điều khiển xây dựng cơng trình nước cơng trình cảng miền Trung nước Ý, mặt khác ông nghiên cứu nguyên tắc làm việc máy nén thủy lực, khí động học vật bay, phân bố vận tốc xoáy nước, phản xạ giao thoa sóng, dịng chảy qua lỗ đập v.v ; ông phát minh máy bơm ly tâm, dù, phương tiện đo gió Những cơng trình ơng viết nghìn trang thảo lưu lại nhiều thư viện Luân Đôn, Pari, Milan, Tuarin v.v Trong thời kỳ Phục hưng, cần phải kể đến cơng trình nhà tốn học - kỹ sư Hà Lan Simơn Stêvin (1548-1620) phát triển thủy tĩnh học, đặc biệt phân tích đắn lực tác dụng chất lỏng lên diện tích phẳng giải thích “nghịch lý thủy tĩnh học” Nhà vật lý, học, thiên văn học người Ý Galilê (1564-1642) sức cản thủy lực tăng theo gia tăng vận tốc gia tăng mật độ môi trường lỏng; đồng thời ơng cịn phân tích vấn đề chân không 1.2.2 Thế kỷ XVII đến kỷ XX Tiếp theo LêônađơVanhxi, trường phái thủy lực Ý bật kỷ XVI XVII Casteli (1517-1644) trình bày cụ thể nguyên tắc tính liên tục chất lỏng Tôrixêli (1608-1647) làm sáng tỏ nguyên tắc dòng chảy qua lỗ sáng chế áp kế thủy ngân Trường phái thủy lực Pháp bắt đầu xuất từ kỷ XVII với Mariốt (1620-1684), tác giả sách “luận chuyển động nước chất lỏng khác”, Pascan (1613-1662) xác lập tính chất khơng phụ thuộc trị số áp suất thủy tĩnh hướng đặt diện tích chịu lực, giải thích triệt để vấn đề chân không, nguyên tắc máy nén thủy lực, nêu lên nguyên tắc Pascan truyền áp suất thủy tĩnh Các vấn đề thủy lực lúc nghiên cứu cách riêng rẽ chưa liên hệ với thành hệ thống có đầy đủ tính khoa học; phải đợi phát triển toán học học, có sở để đưa thủy lực học thực trở thành khoa học đại Thời kỳ cuối kỷ XVIII a) Cơ sở lý thuyết học chất lỏng đại Nhờ phát triển toán học học, sở học chất lỏng đại hình thành nhanh chóng; có đóng góp lớn ba nhà bác học kỷ XVIII là: Đanien Becnuly, Ơle Đalambe Đanien Becnuli (1700-1782) nhà vật lý tốn học xuất sắc, ơng viết cơng trình tiếng “Thủy động lực học” (năm 1738), ơng đưa sở lý luận phương trình chuyển động ổn định chất lỏng lý tưởng mang tên ông, mà ông lập luận cho dịng ngun tố, theo ngun tắc bảo tồn động Lêơna Ơle (1707-1783) - nhà tốn học, học vật lý vĩ đại Ông tiếng với phương pháp nghiên cứu yếu tố thủy lực điểm cố định, gọi phương pháp Ơle, với phương trình vi phân chuyển động chất lỏng lý tưởng mang tên ông, làm sở cho thủy động lực học; ơng khái qt chương trình vi phân liên tục Đalămbe thành dạng chung dùng cho chất khí, ơng suy từ phương trình vi phân nói phương trình Becnuli Ơng nghiên cứu máy thủy lực người nêu lên công thức máy tuốc bin Đalămbe (1717-1783) - nhà toán học triết học, viện sĩ Viện Hàn lâm khoa học Pháp nhiều nước khác, có Viện Hàn lâm Pêtécbua (từ năm 1764) Ơng có luận văn chuyển động cân chất lỏng Những kết nghiên cứu nhà tốn học nói tạo nên sở lý thuyết cho học chất lỏng đại Tuy kết chưa phải sử dụng trực tiếp vào thủy lực nên có thời kỳ học chất lỏng phát triển ngành toán học với lời giải đẹp thủy lực phát triển ngành kỹ thuật với ứng dụng phong phú b) Bước đầu nghiên cứu ứng dụng học chất lỏng Bên cạnh phương hướng lý thuyết nói học chất lỏng, xuất phương hướng ứng dụng kỹ thuật tức phương hướng thủy lực, chủ yếu trường phái thủy lực Pháp xây dựng nên Những đại diện xuất sắc trường phái là: Pitô (1695-1771) - sáng chế “ống Pitô” để đo vận tốc dòng chảy; Sedi (1718-1798) - nghiên cứu dòng chảy kênh với mục đích tìm sức cản thành rắn đáy kênh gây ra; Boócđa (1733-1794) - nghiên cứu dịng chảy khỏi lỗ tìm “tổn thất Bcđa” lịng dẫn mở đột ngột; Bốtsuy (1730-1814) làm nhiều thí nghiệm mơ hình để xác định sức cản dịng chảy vật ngập có hình dạng khác nhau; Nhờ hoạt động nghiên cứu nhà bác học, kỹ sư theo hướng thực nghiệm kỹ thuật nói trên, mơn thủy lực đạt nhiều tiến số mặt chủ yếu sau: - Có nhiều sáng chế dụng cụ đo lường ống đo áp, ống Pitô, lưu tốc kế Vônman, lưu lượng kế Venturi v.v ; - Sử dụng mơ hình để nghiên cứu tượng thủy lực để thiết kế cơng trình; - Xây dựng cơng thức tính tốn lý thuyết kết hợp với hệ số điều chỉnh, xác định kết thí nghiệm 1.2.3 Sự phát triển thủy lực học kỷ thứ XIX Dòng chảy kênh hở trọng nghiên cứu Về dòng đều, nhiều thí nghiệm tiến hành nhằm xác định thông số công thức Sedi công trình thí nghiệm Badanh, Maninh.Về dịng ổn định khơng đều, đổi dần có nghiên cứu đường mặt nước, độ sâu phân giới, nước nhảy, hệ số sửa chữa động năng, hệ số sửa chữa động lượng.v.v nhà khoa học Bêlănggiê, Brexơ, Biđơn Cơriơlít, Vơchiê, Buxinétxcơ, Đuypuy Buđanh, Sanhvơnăng Về dịng khơng ổn định, sóng có Rútsen, Buđanh, Saintvenant, Buxinétxcơ, Đuypuy, Bêlănggiê, Buđanh, Bcđa, Buxinétxcơ, Vétsbát nghiên cứu dịng chảy qua lỗ đập tràn Navie Stock hoàn thành hệ thống phương trình vi phân chuyển động chất lỏng nhớt, làm sở cho động lực học chất lỏng nhớt Buxinétxcơ với cơng trình lớn “Về lý thuyết dịng sơng” (1872) coi đóng vai trị quan trọng phát triển thủy động lực học thủy lực 1.2.4 Những hướng phát triển thủy lực học lĩnh vực xây dựng cơng trình Sang đầu kỷ XX, phải giải nhiều vấn đề thực tiễn sản xuất, khoa học thủy lực chia thành nhiều ngành chuyên sâu, ứng với kỹ thuật khác nhau; thí dụ: thủy lực cơng trình xây dựng, thủy lực cơng nghệ chế tạo máy, thủy lực cơng nghiệp đóng tàu, thủy lực cơng nghệ hóa học v.v Trong lĩnh vực xây dựng bản, khoa học thủy lực lại phân thành phận