BÀI GIẢNG THỦY lực cơ sở

Số tín chỉ : 02 – 29 tiết lý thuyết+1 tiết kiểm traTHỦY LỰC CƠ SỞ -Mục tiêu của học phần: - Kiến thức: Trang bị kiến thức về tĩnh học, động học và động lực học của chất lỏng Kỹ năng: T

Trang 1

BÀI GIẢNG THỦY LỰC CƠ SỞ

GV VŨ THẾ TRUYỀN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT-CƠ SỞ ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN

Thái Nguyên 8/2015

Trang 2

Số tín chỉ : 02 – 29 tiết lý thuyết+1 tiết kiểm tra

THỦY LỰC CƠ SỞ

-Mục tiêu của học phần:

- Kiến thức: Trang bị kiến thức về tĩnh học, động học và

động lực học của chất lỏng

Kỹ năng: Thiết lập các PT tĩnh học, động lực học của

chất lỏng; tính toán được các đặc trưng thuỷ lực của

dòng chảy, tổn thất năng lượng và ống đơn giản

Nhiệm vụ của sinh viên:

- Nghiên cứu trước giáo trình, tài liệu học tập.

- Tham gia đầy đủ các giờ lên lớp.

- Tham gia kiểm tra giữa kỳ và thi kết thúc học phần.

Trang 3

10 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên:

- Điểm chuyên cần: 10%

- Điểm kiểm tra giữa kỳ: 20%

- Điểm thi cuối kỳ: 70%

Trang 4

NỘI DUNG

Chương 1: Những vấn đề cơ bản về thuỷ lực

Chương 2: Tĩnh học chất lỏng

Chương 3: Động học và động lực học chất lỏng Chương 4: Tổn thất năng lượng trong dòng chảy

Chương 5: Dòng chảy qua lỗ, vòi - Dòng chảy

không dừng - Tính toán thuỷ lực đường ống Chương 6: Lực tác động lên vật ngập trong chất

lỏng chuyển động

Trang 5

Chương 1: Những vấn đề cơ bản về thủy lực

NỘI DUNG 1.1 Khái niệm chung

1.2 Tính chất vật lý của chất lỏng; các loại lực tác dụng trong chất lỏng

Trang 6

1.1 Khái niệm chung

1.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Gồm những chất ((lưu chất))có thể chảy được trong điều kiện nhiệt độ không đổi như: nước, xăng, dầu , hơi, các chất khí, kim loại nấu chảy, chất lỏng trộn với chất cứng,…

1.1.2 Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng

Nghiên cứu thủy lực phải kết hợp chặt chẽ lý thuyết với thực nghiệm (quan sát hiện tượng, thí nghiệm mô hình, phân tích lý luận bằng toán học) do đó chúng ta có hai phương pháp chính:

-Phương pháp giải tích

-Phương pháp thực nghiệm

Chương 1: Những vấn đề cơ bản về thủy lực

Trang 7

1.1 Khái niệm chung

1.1.2 Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng

a.Phương pháp giải tích

Áp dụng các định luật,định lý cơ học cho vật thể lưu chất (có tính đến tính chất của vật thể)=>các PTVP,TP mô tả trạng thái của nó =>v,p,…tại các điểm khác nhau của thể tích lưu chất

b Phương pháp thực nghiệm

Phân tích, tổng hợp kết quả TN => các quy luật mô tả trạng thái lưu chất (các công thức thực nghiệm)

- Phương pháp đồng dạng

Tiến hành đo trên mô hình có cùng bản chất vật lý nhưng được thiết kế ở

tỷ lệ thích hợp, kết quả đo được quy đổi theo tỷ lệ để cho ra các thông tin của

hệ thống thực

- Phương pháp tương tự

Tiến hành trên mô hình không cùng bản chất vật lý nhưng PTVP, TP mô tả quá trình trong chúng giống nhau,kết quả TN được quy đổi tương đương cho phép xác định các thông số của hệ thống thực

Trang 8

a Khối lượng riêng ρ :

M(kg) khối lượng chất lỏng chứa trong thể tích V(m3)

c Tỷ trọng δ :

nước ở điều kiện tiêu chuẩn

M

=

ρ

Trang 10

Là tính chất chịu được lực kéo không lớn lắm tác động lên mặt tự

do phân chia chất lỏng với chất khí hoặc trên mặt tiếp xúc giữa chất lỏng với mặt vật rắn

1.2.4 Tính di động

Chất lỏng là loại chất chảy, không có hình dạng riêng ban đầu mà thay đổi theo hình dạng vật thể chứa đựng nó hoặc bao quanh nó

Trang 11

1.3 Các lực tác dụng lên chất lỏng

1.3.2 Lực mặt

là lực tác động lên mặt giới hạn khối chất lỏng đang xét.

Lực mặt tỉ lệ với diện tích bề mặt giới hạn khối chất lỏng.

VD : áp lực không khí lên mặt thoáng, lực ma sát

- f Lực khối đơn vị

VD : Lực quán tính, lực từ, lực điện trường, trọng lực.

ρ.dv f

Trang 12

Tĩnh học chất lỏng nghiên cứu các quy luật cân bằng của lưu chất ở trạng

thái tĩnh (TTCB), tức là không có sự chuyển động tương đối giữa các phân tử lưu chất và ứng dụng các quy luật vào trong sản xuất

NỘI DUNG

2.1 ÁP SUẤT THỦY TĨNH

2.2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN

2.3 CÁC LOẠI ÁP SUẤT-BIỂU ĐỒ PHÂN BỐ ÁP SUẤT

2.4 ĐỊNH LUẬT BÌNH THÔNG NHAU, ĐỊNH LUẬT PASCAL,

ĐỊNH LUẬT ÁC SI MET

Chương 2: Tĩnh học chất lỏng

Trang 13

2.1 Áp suất thủy tĩnh

2.1.1 Khái niệm

Áp suất thủy tĩnh là ứng suất của lực mặt,

kí hiệu p

Áp suất thủy tĩnh trung bình

Áp suất thủy tĩnh tại một điểm (ASTT)

Đơn vị N/m2 hoặc at

1at = 9,81.104 N/m2

S

P p

Trang 14

2.1.2 Tính chất

TC 1: Áp suất thủy tĩnh tác dụng

thẳng góc với diện tích chịu lực

và hướng vào diện tích ấy

TC 2: Trị số áp suất thủy tĩnh tại một

điểm bất kỳ không phụ thuộc vào

hướng đặt của diện tích chịu lực

tại điểm này

Trang 15

2.2 Các phương trình cơ bản

2.2.1.Phương trình vi phân cân bằng của chất lỏng (phương trình Ơle tĩnh)

x x

p

p δ

∂

∂ +

Lực khối: F(X,Y,Z): Lực tác dụng lên một đơn vị khối chất lỏng

Thành phần lực khối theo phương x là: ρ X δ x δ y δ z

0

10

z y

x x

p z

y x X X

ρ

γδδδ

δδρ

0

1

;0

y

p Y

ρρ

p ρ

1 Z

0 y

p ρ

1 Y

0 x

p ρ

1 X

=> Phương trình Ơle tĩnh:

Trang 16

2.2 Các phương trình cơ bản

2.2.2.Phương trình cơ bản thủy tĩnh

Xét chất lỏng không nén được (ρ = const) cân bằng trong hệ tọa độ gắn với mặt đất như hình vẽ

=>lực khối tác dụng là trọng lực: Z = - g

C z

p C

z p

dz dz

g dp

g z

p Z

= +

⇔ +

γ

ρ ρ

.

1

const z

z là độ cao hình học của một điểm trong chất lỏng

gọi là độ cao đo áp suất hoặc thế nằng đơn vị

Trang 17

2.3.Các loại áp suất-Biểu đồ phân bố áp suất

2.3.1.Công thức tính áp suất

Xét 2 điểm A và B trong khối chất lỏng zA và zB là

khoảng cách 2 điểm đó đến mặt chuẩn 0-0.

( B A)

B A

B B

A

γ

p z

p0 = pa ( pa = 1 at = 9,81.104 N/m2)

p = pa + γ.hH: độ sâu của điểm cần tính áp suất

Trang 18

2.3.2.Các loại áp suất

•Áp suất tuyệt đối ( p t )

Là áp suất toàn phần và được xác định theo công thức:

pt = p0 + γ h

•Áp suất dư (p d )

Nếu pt > pa thì hiệu pd = pt -pa được gọi là áp suất dư

Nếu mặt thoáng tiếp xúc với khí trời thì:

p d = γ.h

*Áp suất chân không (p ck )

Nếu pt < pa thì hiệu số pa - pt gọi là áp suất chân không

pck = pa - pt Chú ý:

Khi nói trong môi trường có áp suất chân không nghĩa là áp suất tuyệt đối tại đó nhỏ hơn áp suất khí trời pa Như vậy pck lớn nhất khi pt = o, khi đó pck max = pa

Trang 19

2.3.3.Biểu đồ phân bố áp suất

Sự biểu diễn bằng đồ thị áp suất p theo h gọi là biểu đồ

phân bố áp suất

Áp suất luôn thẳng góc với diện tích chịu lực

Trang 20

2.4.1.Định luật

2.4.Định luật bình thông nhau, Định luật Pascal; Định luật Ác si met

a.Định luật bình thông nhau

Nếu 2 bình thông nhau chứa đựng chất lỏng

khác nhau và có áp suất trên mặt thoáng bằng

nhau, độ cao của chất lỏng ở mỗi bình tính từ

mặt phân chia 2 chất lỏng đến mặt thoáng sẽ tỷ

lệ nghịch với trọng lượng đơn vị của chất lỏng

Ứng dụng : Các dụng cụ đo áp suất

Trang 21

b.Định luật Pascal

Áp suất tĩnh do ngoại lực tác động lên bề mặt chất lỏng

được truyền nguyên vẹn đến mọi điểm trong lòng chất lỏng

Máy gồm 2 xilanh có diện tích F1 và F2, thông với nhau qua 1 ống

chứa cùng 1 loại chất lỏng và có pistong di chuyển.

p=P/F1

P’ = p.F2 = P.F2/F1 > P

Trang 22

c.Định luật Ác si mét

Một vật rắn ngập hoàn toàn trong chất lỏng chịu tác dụng của một lực

hướng thẳng đứng từ dưới lên và có trị số bằng trọng lượng của khối

Trang 23

2.4.3.Bài tập

2.4.Định luật bình thông nhau, Định luật Pascal; Định luật Ác si met

Bài 1

Xác định độ cao mức thủy ngân tại

A khi cho biết áp suất chỉ trong các

áp kế là p1 =0,9at; p2 =1,86at và độ

cao mức chất lỏng biểu trên hình

Biết tỉ trọng của dầu 0,8; của thủy

ngân là 13,5

Trang 24

Bài 2

Xác định độ cao h1 của thủy ngân so với mặt chuẩn OO Biết h2

=12cm, γHg =13,6γΗ2Ο

Trang 25

Bài 3

Xác định độ chênh áp giữa 2 tâm của ống A và B biết độ chênh theo phương thẳng đứng giữa 2 tâm h=20cm, các mực ngăn cách giữa nước và dầu trong ống đo chữ U biểu diễn như hình

vẽ, dầu có tỷ trọng δ =0,9

Trang 26

Bài 4

Xác định độ chênh áp giữa 2 tâm của ống A và B biết độ chênh theo phương thẳng đứng giữa 2 tâm H=10cm, các mực ngăn cách giữa nước và dầu trong ống đo chữ U biểu diễn như hình

vẽ, dầu có tỷ trọng δ =0,9

Trang 29

Là một đường mà tại một thời điểm đã cho trước, véc tơ vận tốc có

phương trùng với phương của tiếp tuyến đường cong tại điểm ấy.

Trang 30

Chương 3 Động học và động lực học chất lỏng

3.1.Các khái niệm và định nghĩa cơ bản về chuyển động của chất lỏng3.1.2.Các loại chuyển động của chất lỏng

Chuyển động không dừng : là chuyển động mà trong đó các yếu tố thủy

lực như vận tốc, áp suất phụ thuộc vào không gian và thời gian.

Chuyển động dừng: là chuyển động mà các yếu tố thuỷ lực không phụ

thuộc vào thời gian.

Trang 31

3.1.Các khái niệm và định nghĩa cơ bản về chuyển động của chất lỏng3.1.2.Các loại chuyển động của chất lỏng

Dòng chảy đều : Là dòng chảy trong đó sự phân bố vận tốc trên mặt cắt

ngang dọc theo dòng chảy không thay đổi.

Dòng chảy không đều : sự phân bố vận tốc thay đổi dọc theo dòng chảy Dòng chảy có áp : là dòng chảy không có mặt thoáng.

Dòng chảy không có áp : là dòng chảy có mặt thoáng.

Trang 32

3.1.3.Các đặc trưng thủy lực của dòng chảy

3.1.Các khái niệm và định nghĩa cơ bản về chuyển động của chất lỏng

Mặt cắt ướt: mặt cắt thẳng góc với tất cả các đường dòng.Mặt cắt ướt có

Trang 33

3.1.3.Các đặc trưng thủy lực của dòng chảy

3.1.Các khái niệm và định nghĩa cơ bản về chuyển động của chất lỏng

* Vận tốc trung bình: v ( m/s)

Là tỷ số giữa lưu lượng Q và diện tích S của mặt cắt

* Lưu lượng: lượng chất lỏng chảy qua mặt cắt ướt trong một đ.vị thời gian

Có 3 loại lưu lượng :

- Lưu lượng thể tích, ký hiệu : Q đơn vị ( m 3 /s )

- Lưu lượng khối, ký hiệu : M đơn vị ( kg/s )

- Lưu lượng trọng lượng, ký hiệu : G đơn vị ( N/s , KG/s)

γ

Gρ

M

S

uds Q

uds dQ

Trang 35

ρu x

ρu t

∂

∂ +

∂

∂ +

Phương trình vi phân liên tục

Nếu chất lỏng không chịu nén và đồng

chất ρ = const thì d ρ/ dt = 0

=> phương trình sẽ đơn giản hơn:

0 z

u y

u x

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

Trong dòng chảy lưu lượng qua các mặt cắt ướt luôn bằng

nhau và vận tốc trung bình tỷ lệ nghịch với diện tích mặt cắt ướt 1

2 2

1

s

s v

v

=

Trang 36

ut

t- Thời gian chảy

X, Y, Z là hình chiếu của ngoại lực lên trục x, y, z

Trang 37

c.Phương trình Béc-nu-li

3.2.Các phương trình chuyển động

3.2.1.Động lực học chất lỏng lý tưởng

c 2g

u γ

p z

2

= +

Trang 38

y y

x x

νΔuz

pρ

1Zdt

du

νΔuy

pρ

1Ydt

du

νΔux

pρ

1Xdt

∂

=

ν : Độ nhớt của chất lỏng p: áp suất tại mặt cắt.

ux,uy;uz:hình chiếu vận tốc chât lỏng trên trục x, y, z

X, Y, Z: hình chiếu của lực (lực mặt or lực khối )

Trang 39

3.2.2.Động lực học chất lỏng thực

b.Phương trình Béc-nu-li

2 W1

2 2

2 1

1

2g

u γ

p z

2g

u γ

p

hw1-2 là năng lượng của một đơn vị chất lỏng bị tiêu hao trên đoạn 1-2; đơn vị là m

Với dòng nguyên tố chất lỏng thực, chuyển động dừng

2 W1

2 2 2

2 2

2 1 1

p z

2g

v

α γ

p

Với toàn dòng chất lỏng thực chuyển động dừng :

α1; α2 − hệ số điều chỉnh động năng tại mặt cắt 1-1 và 2-2.

v1, v2 - vận tốc trung bình dòng chảy tại mặt cắt 1-1 và 2-2.

• Điều kiện để áp dụng phương trình trên.

1- Chuyển động là ổn định

2- Các mặt cắt 1-1 và 2-2 là mặt phẳng vuông góc với chiều dòng chảy.

3- Chất lỏng không chịu nén.

4- Chất lỏng trọng lực (Lực khối chỉ có trọng lực)

Trang 40

Ứng dụng của phương trình Becnuli

B¬m phun tia

Bé chÕ hoµ khÝ

Trang 41

3.2.2.Động lực học chất lỏng thực

c.Bài tập

Bâi tấp 1: Tính ấp suất tấi B (N/m 2 , ất) mất cất (2-2) Biết rấng tấi

A co p A =0,5ất Đương ống co D A =0,2m & D B =0,25m vấ dấn lưu lương nươc 50l/s Bo quấ ton thất nấng lương khi dong chấy đi

tư A đến B Lấy g=9,81m/s 2

Trang 42

Bấi tấp 2: Tính ấp suất tấi B (N/m 2 , ất) Biết tấi A co p dư =0,8ất Đương ong co D A =0,25m, D B =0,1m vấ dấn lưu lương nươc 100l/s Bo quấ ton thất nấng lương

Bấi tấp 3: Cho dong chấy co ấp như sơ đo sấu Tính ấp suất nươc tấi

vị trí B Bo quấ ton thất nấng lương.

Trang 43

Bấi tấp 4: Cho dong chấy co ấp quấ tủặbin X như hình vê Biết ấp suất tấi

A lấ 0.2ất, tấi B lấ 20ất Vấn toe dong chấy trong ong lấ 6m/s Ong co tiết diên 0.5m 2 Bo quấ ton thất nấng lương Tính Hị-^^, tư đo tính cong suất củặ tủặbin (P^pgQHtraibto Wấtt) vơi Q lấ lưu lương quấ ong, h=0.8 hiếu suất tuabin.Z A =0m

Trang 44

Bài tãp 8: Một nhà máy thủy điện có sơ đô làm việc như hình ve Bỏ qua tổn thất năng lượng khi dòng chảy đi tư hô đến NM Q NM =32m 3 /s Tính công suất (MW) của NM Biết hiệu suất NM là h=0,8 Lấy g=10m/s 2

Trang 45

Chương 4 Tổn thất năng lượng trong dòng chảy

4.1.Các trạng thái của dòng chảy

4.1.1.Thí nghiệm Rây Nôn

4.1.2.Các trạng thái dòng chảy

4.1.3.Hệ số Rây Nôn

Trang 46

4.1.2.Các trạng thái dòng chảy

4.1.3.Hệ số Rây Nôn

Trang 47

4.1.3.Hệ số Rây Nôn

Trang 48

4.2.Dòng chảy tầng

4.2.1.Dòng chảy tầng trong ống tròn

4.2.2.Dòng chảy tầng trong khe hẹp

4.2.3.Lý thuyết bôi trơn

Trang 49

4.2.2.Dòng chảy tầng trong khe hẹp

4.2.3.Lý thuyết bôi trơn

Trang 50

4.2.3.Lý thuyết bôi trơn

Trang 51

4.3.Dòng chảy rối trong ống tròn

4.3.1.Lớp biên và lớp chảy tầng sát thành

4.3.2.Thành trơn và nhám thủy lực

Trang 52

4.3.Dòng chảy rối trong ống tròn

4.3.2.Thành trơn và nhám thủy lực

Trang 53

4.4.Tổn thất năng lượng trong dòng chảy

4.4.1.Tổn thất dọc đường và cục bộ

4.4.2.Công thức tính tổn thất

4.4.3.Bài tập

Trang 54

4.4.2.Công thức tính tổn thất

4.4.3.Bài tập

Trang 55

4.4.3.Bài tập

Trang 56

5.1.Dòng chảy qua lỗ và vòi, dòng chảy không dừng

5.1.1.Khái niệm chung

Chương 5 Dòng chảy qua lỗ,vòi-Dòng chảy không

dừng-Tính toán thủy lực đường ống

5.1.2.Dòng chảy ổn định, tự do qua lỗ nhỏ,thành mỏng

Trang 57

5.1.Dòng chảy qua lỗ và vòi, dòng chảy không dừng

Chương 5 Dòng chảy qua lỗ,vòi-Dòng chảy không

dừng-Tính toán thủy lực đường ống

5.1.3.Dòng chảy ổn định tự do qua vòi trụ gắn ngoài

5.1.4.Dòng chảy không dừng, hiện tượng va đập thủy lực

Trang 58

5.2.Tính toán thủy lực ống đơn giản

5.2.1.Khái niệm chung

5.2.2.Các công thức tính toán

5.2.3.Bài tập

Chương 5 Dòng chảy qua lỗ,vòi-Dòng chảy không dừng-Tính toán thủy lực đường ống

Trang 59

5.2.Tính toán thủy lực ống đơn giản

5.2.3.Bài tập

Chương 5 Dòng chảy qua lỗ,vòi-Dòng chảy không dừng-Tính toán thủy lực đường ống

Trang 60

Chương 6 Lực tác động lên vật ngập trong chất lỏng

chuyển động

6.1.Khái niệm chung

6.2.Lưu số và lực nâng

6.2.1.Định nghĩa lưu số

Trang 61

Trang 62

6.3.Lớp biên và lực cản do ma sát của lớp biên

Trang 63

6.4.Xác định lực cản do áp suất

6.4.1.Hệ số áp suất cục bộ và lực cản áp suất

6.4.2.Ảnh hưởng của hệ số cản áp lực

Trang 64

6.5.1.Lực cản của quả cầu

6.5.Lực tác động lên các vật cản có mặt cong biến đổi

6.5.2.Lực tác động lên trụ tròn

Trang 65

6.6.1.Vật phẳng thẳng góc với dòng chảy

6.6.2.Một số hệ số cản của ôtô

6.6.Lực tác động lên các vật cản sắc cạnh

Trang 66

THE END

THANKS YOU VERY MUCH

Định dạng
Số trang	66
Dung lượng	2,16 MB