Bài giảng Thủy lực đại cương

Các ký tự dùng trong thủy lực Trang 12 Thứ nguyênĐơn vị BGĐơn vị SI- Chiều dài L- Khối lượng M- Thời gian T- Lực F- Nhiệt độ + Tuyệt đối+ Thông thườngFoot ftSlug =lb.sec2/ftGiây secPou

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC BỘ MÔN THỦY LỰC Bài giảng THỦY LỰC ĐẠI CƯƠNG Hà nội 2021 NỘI DUNG MÔN HỌC Chương 1: Mở đầu Chương 2: Các tính chất chất lỏng Chương 3: Thuỷ tĩnh Chương 4: Động học chất lỏng Chương 5: Năng lượng dòng chảy ổn định Chương 6: Động lượng dòng chảy ổn định Chương 7: Tổn thất lượng dòng chảy ống GIÁO TRÌNH VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO Finnemore E.J & Franzini J B Cơ học chất lỏng dùng cho ngành kỹ thuật-tập1, tập 2, dịch tiếng Việt, Hà Nội 2009 Vũ Văn Tảo, Nguyễn Cảnh Cầm, Thuỷ lực tập 1, Nhà xuất Nông nghiệp, Hà Nội 2006 Hoàng Văn Quý, Nguyễn Cảnh Cầm, Bài tập Thuỷ lực tập 1, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội 2005 Bài giảng Cơ học chất lỏng Bộ mơn Thủy lực Báo cáo thí nghiệm Cơ học Chất lỏng Bộ mơn Thủy lực Giáo trình Tài liệu tham khảo TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN THỦY LỰC TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN THỦY LỰC BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CƠ HỌC CHẤT LỎNG LƯU HÀNH NỘI BỘ HÀ NỘI Mở đầu HÀ NỘI ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC • Đánh giá điểm q trình (30%) Trong gồm có: - Học tập lớp: 20% - Thí nghiệm: 20% - Các kiểm tra: 60% • Thi cuối kỳ: 70% • Điều kiện dự thi hết mơn: - SV phải học đủ 80% số tiết; - 50% kiểm tra đạt yêu cầu TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN THỦY LỰC CHƯƠNG I MỞ ĐẦU §1.1 Đối tượng vị trí mơn học 1.1.1 Định nghĩa môn học Thủy lực môn khoa học nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng chất khí, đồng thời đề biện pháp ứng dụng quy luật vào thực tiễn phục vụ đời sống người Đối tượng nghiên cứu môn Thủy lực chất lỏng thường gặp thực tế 1.1.2 Phạm vi ứng dụng môn học Kiến thức môn Thủy lực ứng dụng nhiều ngành khác như: Thuỷ lợi, giao thông, xây dựng, máy thiết bị máy, cấp thoát nước v.v Mở đầu 1.1.3 Nội dung nghiên cứu a Thuỷ tĩnh nghiên cứu chất lỏng trạng thái đứng yên cân (hay trạng thái tĩnh); b Động học nghiên cứu quy luật chuyển động chất lỏng, thể vận tốc, gia tốc, đường dịng… mà khơng xét đến lực tác dụng lượng; c Thuỷ động lực học nghiên cứu chuyển động chất lỏng có xét đến lực tác dụng, lượng, động lượng 1.1.4 Phương pháp, mục đích nghiên cứu Kết hợp chặt chẽ nghiên cứu lý thuyết với thí nghiệm thực hành kỹ năng, giúp người học giải vấn đề thực tế Mở đầu §1.2 Sơ lược lịch sử phát triển môn học 1.2.1 Thời kỳ cổ đại Người La Mã; Người Hy Lạp (Archimedes) … 1.2.2 Thời kỳ cận đại Nghiên cứu Leonardo da Vinci (1452 - 1519), … Isaac Newton (1642 - 1727), … 1.2.3 Thời kỳ đại: Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng quy luật có để giải vấn đề thực tế (sẽ trình bày kỹ phần sau) Mở đầu § 1.3 Phương pháp học tập Những việc cần làm để học tốt môn Thủy lực: - Học kiến thức qua giảng giáo trình; sinh viên ngồi việc học lớp cịn phải tự đọc sách để nắm vững kiến thức giảng, giáo trình - Thực hành để phát triển kỹ cách giải tập, làm thí nghiệm viết báo cáo, ý đến đơn vị đo lường đại lượng vật lý - Việc thực hành, viết báo cáo thí nghiệm phương pháp tốt giúp sinh viên hiểu rõ chất tượng thuỷ lực củng cố kiến thức, đồng thời rèn luyện kỹ giải vấn đề Mở đầu 10 PT lượng cho m/c (1-1) m/c (2-2), mặt chuẩn trùng với trục ống 1: p1 V12 p V22 Z1    h L12  Z2    2g  2g V1  V  Q 4Q   1, 43m / s A D  R p1 V12  H  h L12   2g VD  286624  2000  Áp dụng cơng thức Haaland tính f = 0,0206 Tổn thất dọc đường : L hf  f Tổn thất cục bộ:  V  0,86 m D 2g V2 h '  2h 'g  h 'r  (2k g  k r )  0,19m 2g h L12  h f  h '  1,05m Thay vào (1): p1  20,95m  Vậy p1= 2,095atm Tổn thất lượng đường ống chất lỏng không nén 246 (1) 2.Tìm lưu lượng dịng chảy VÍ DỤ : Nước có hệ số nhớt 10-6(m2/s) chảy qua ống có đường kính 25cm; độ nhám e = 0,1mm Ống dài 1500m cửa vào sắc góc khơng nhơ khỏi thành bể Δz = 80m Hãy tìm lưu lượng dòng chảy cho hai trường hợp: a) nước chảy tự khơng khí b) cuối ống có mũi phun đường kính 10cm với hệ số k=0,1 Hình 8.20 Tổn thất lượng đường ống chất lỏng khơng nén 247 a) Khơng có mũi phun Phương trình lượng viết cho hai mặt cắt với mặt chuẩn qua z    h L1 V2 1500 V V  00  80  (0,5  f )  2g 0, 25 2g 2g V2 80 1569,6    V 2g 1,5  6000f 1,5  6000f (1) e/D=0,0001/0,25=0,0004 Giả thiết ống nhám hoàn toàn,tra biểu đồ Moody tính theo cơng thức (7.50): f = 0,017 Thay vào (1): V = 3,89(m/s) Kiểm tra giả thiết: Có V  R = 972500  Tra biểu đồ Moody tính theo cơng thức (7.51) (7.52): f = 0,017  Q = 3,89.3,14.0,252/4 = 0,191 m3/s = 191 l/s Tổn thất lượng đường ống chất lỏng khơng nén 248 b) Có mũi phun Phương trình liên tục: VD2 = V3 d2  V3 = 6,25.V Tương tự, viết phương trình lượng cho hai mặt cắt 3: z    h L13 V32 V32 V32 1500 V  00  80  (0,5  f ) k  2g 0, 25 2g 2g 2g 1500 V (6, 25.V) (6, 25.V) 80  (0,5  f )  0,1  0, 25 2g 2g 2g V2 80 1569,6    V  (2) 2g 0,5  6000f  (1  0,1).6, 25 6000f  40,16 Giả thiết: f = 0,017  V = 3,319 m/s  Q = 0,163 m3/s Vận tốc mũi phun: V3 = 20,74 m/s Kiểm tra giả thiết: V  R = 829750, tra biểu đồ Moody (e/D = 0,0004) tính theo cơng thức (7.51) (7.52): f = 0,017 Vậy Q = 0,163 m3/s Tổn thất lượng đường ống chất lỏng không nén 249 VÍ DỤ 4: Nước dẫn từ bể kín A sang bể hở B qua xi phơng ABCD Xi phơng có đường kính D=150mm, độ nhám tuyệt đối e = 0,2 mm gồm ba đoạn với chiều dài L1= 20m, L2= 40m, L3= 50m, có hai chỗ gấp khúc với hệ số tổn thất kB= 0,4 kC= 0,8 Giữa đoạn ống CD có khố K với hệ số tổn thất kK= Chiều cao h= 2,5m; Z = 6,0m Áp suất mặt thoáng bình A po= 0,15atm Xác định lưu lượng nước chảy qua xi phơng Hình 7.20 Tổn thất lượng đường ống chất lỏng không nén 250 Phương trình lượng cho mặt cắt (1-1) mặt cắt (2-2) với mặt chuẩn trùng với (2-2): p1 V12 p V22 Z1    h L12  Z2    2g  2g  L V f h L12  Z  h  po 5  (1) V2  733,3f Tổn thất dọc đường: h f D 2g 2g V ' ' ' ' ' h '  h  h  h  h  h  6,7 Tổn thất cục bộ: v B C K r 2g V2 h L12  h f  h '  (733,33f  6,7) 2g V (733,33f  6,7) 5 Thay vào (1): 2g  V 98,1 733,33f  6, Giả thiết ống nhám hoàn toàn f1 = 0,0211  V1  2,104m / s  R1 = 3115580; Áp dụng công thức Haaland: f2 = 0,0218  V2  2,046m / s  R2 = 306858,3 Áp dụng công thức Haaland: f3= f2 = 0,0218 Vậy V=2,046m/s Q = VA = 0,0361m3/s Tổn thất lượng đường ống chất lỏng khơng nén 251 3.Tìm đường kính ống Dz VÍ DỤ 5: Nước có hệ số nhớt 10-6 m2/s, chảy qua đường ống có độ nhám e = 0,1mm; dài 1500m Độ cao Δz=80 m Cuối ống có mũi phun đường kính 10cm với hệ số tổn thất k=0,1; vận tốc dịng phun 25m/s Hãy tìm đường kính ống D Phương pháp giải: (Tính dần) - Giả thiết giá trị D, sử dụng phương pháp giải tốn tìm Q(D) - Kiểm tra giả thiết, So sánh Q  Q(D) Hoặc tìm Δz = z(D) Kiểm tra: Δz = z(D) = 80m Hình 7.21 Tổn thất lượng đường ống chất lỏng khơng nén 252 §7.8 Tính tốn dịng chảy có máy bơm, turbine I Dịng chảy có máy bơm: hp lượng máy bơm (P) cấp cho đơn vị trọng lượng chất lỏng chảy vào máy: p1 V12 p V22 Z1    h p  h L12  Z2    2g  2g 0 V22 0   h p  h L12  Z    2g  2g V22 h p  Z    h L1 2g Hình 7.22 Dịng chảy ổn định đường ống chất lỏng 253 Dòng chảy có máy bơm bơm nước khí trời: hp = HD – HC Các toán đặt là: - Xác định cột nước bơm hp , công suất máy bơm P = Qhp / η - Tìm lưu lượng Q Nhìn vào đường ta thấy: V22 h p  Z    h L12 2g Hình 7.23 Tổn thất lượng đường ống chất lỏng khơng nén 254 Dịng chảy có máy bơm bơm nước bể chứa: Nếu bơm lên bể chứa lớn, mặt thoáng bể cách Z p A VA2 p F VF2 ZA    h p  h LA F  ZF    2g  2g 0 0 0   h p  h LA F  Z    2g  2g Cột nước bơm: hp = Z + hL(A-F) Công suất yêu cầu máy bơm: P = Qhp / η Lưu lượng bơm: Q = Pη / hp Hình 7.24 Tổn thất lượng đường ống chất lỏng khơng nén 255 VÍ DỤ 6: Tìm cơng suất máy bơm (P), cho biết: lưu lượng bơm Q = 83 l/s Hệ số nhớt n = 1,01.10-6 m2/s - Độ cao bơm Δz = 50 m - Hiệu suất máy bơm η = 90% -Đường ống hút BC có D1=20cm; chiều dài L1=20m e= 0,5mm -Đường ống đẩy DE có D2=25cm; chiều dài L2=100m e= 0,5mm GIẢI: PTLT: Q = 0,083 m3/s  V1 = 2,65 m/s, V2 = 1,7m/s  R1 = 524753; e/D1 = 0,0025;  CT(8.52): f1= 0,02518  R2 = 420792; e/D2 = 0,002;  f2=0,0239 PTNL: h p  Z  h L (1) ; ∑hL= (∑hL)ống hút+ (∑hL)ống đẩy (2) Tổn thất lượng đường ống chất lỏng không nén 256 f1=0,053; f2=0,0488; ke=0,8; k=1; L1=20m; D1=20cm; L2=100m; D2=25cm h L (onghut ) L1 V12 20 2,652  (k e  f1 )  (0,8  0,02518 )  1,19 m D1 2g 0, 19,62 h L (ongday) L2 V22 100 1,7  (f  k)  (0,0239  1)  1,56 m D2 2g 0, 25 19,62 Thay vào (2): hL= hL(ống hút) + hL(ống đẩy) = 2,75 m Thay vào (1): hp = 50 + 2,75 = 52,75m Công suất bơm P = kpa).Q(m3/s).hp(m) = 42,95 kW Công suất yêu cầu máy bơm: P’ =P/η = 47,72 kW  Đáp số: hp = 52,75 m P’ = 47,72 kW Tổn thất lượng đường ống chất lỏng khơng nén 257 II Dịng chảy có turbine Turbine động lấy lượng khỏi dòng chảy ht : cột nước hoạt động turbine (năng lượng đơn vị mà dòng chảy truyền cho turbine) p A VA2 p F VF2 ZA    h t  h L(AF)  ZF    2g  2g 0 0 Z    h t  h L(AF)     2g  2g ht = Δz - hL(AF) - Các tốn : Hình 7.25 + Xác định cột nước hoạt động ht + Tìm cơng suất tới turbine: P = Qht Cần lưu ý phương trình lượng ht mang dấu âm Tổn thất lượng đường ống chất lỏng không nén 258 Nội dung cần nắm chương 7: - Chảy tầng chảy rối - Tổn thất cột nước ma sát lịng dẫn có mặt cắt khơng đổi hf - Hệ số ma sát f - Tổn thất cục h’ - Tính tốn dịng chảy ống đơn - Tính tốn dịng chảy có máy bơm, turbine Tổn thất lượng đường ống chất lỏng không nén 259 Bài tập chương BT bắt buộc: (thuộc chương 8-bài tập giáo trình “Cơ học chất lỏng tập 1) 8.28.3; 8.43, 8.45, 8.57, 8.61, 8.63, 8.93 Tổn thất lượng đường ống chất lỏng không nén 260