BÀI GIẢNG MÔN HỌC THỦY LỰC

Bài giảngmơn học Thủy lực CHƯƠNG MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THỦY LỰC HỌC 1.1.1 Đối tượng nghiên cứu nhiệm vụ thủy lực học a) Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu thủy lực học gồm chất chảy (gọi chung lưu chất) điều kiện nhiệt độ không đổi : nước, dầu hơi, chất khí, kim loại nấu chảy, hổn hợp chất lỏng trộn chất khí, chất lỏng trộn với chất cứng, chất khí trộn với chất cứng, … b) Nhiệm vụ : Thủy lực học thực chất phận học ứng dụng, nghiên cứu quy luật cân chuyển động học lưu chất trình tương tác lực lên vật thể khác 2/ Phương pháp nghiên cứu thủy lực học : Thủy lực học nhánh rẽ môn học, sâu vào nghiên cứu loại vật thể đặc biệt, lưu chất Vì thừa hưởng đònh luật, đònh lý môn học, : + Các đònh luật học Niutơn + Các đònh luật bảo toàn chuyển hóa học : bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng, bảo toàn chuyển hóa lượng Trong nghiên cứu thủy lực học phải kết hợp chặt chẽ lý thuyết với thực nghiệm (quan sát tượng, thí nghiệm mô hình, phân tích lý luận toán học) Do ta có hai phương pháp : phương pháp giải tích phương pháp thực nghiệm a) Phương pháp giải tích Bài giảngmơn học Thủy lực Phương pháp áp dụng đònh luật, đònh lý môn học cho vật thể lưu chất có tính đến tính chất vật thể, từ ta rút phương trình vi phân, tích phân mô tả trạng thái Việc giải phương trình cho ta mô tả vận tốc, áp suất, … điểm khác thể tích lưu chất nghiên cứu Trong việc giải phương trình này, phương pháp giải tích với ứng dụng tiến lý thuyết trường, lý thuyết số phức, lý thuyết phương trình vi phân, … đóng vai trò quan trọng b) Phương pháp thực nghiệm Một phương pháp khác sử dụng rộng rãi thủy lực học phương pháp thực nghiệm Nó đáp ứng kòp thời nhu cầu đặt thực tế sản xuất, giúp người ta phân tích, tổng hợp cho quy luật mô tả trạng thái lưu chất _ công thức thực nghiệm Trong phương pháp thực nghiệm ta có hai cách giải : + Phương pháp đồng dạng : Trong phương pháp đồng dạng việc nghiên cứu tiến hành mô hình có chất vật lý, thiết kế tỷ lệ thích hợp Kết đo đạt mô hình quy đổi theo tỷ lệ thông tin hệ thống thực + Phương pháp tương tự : Trong phương pháp việc nghiên cứu tiến hành mô hình không chất vật lý, phương trình vi phân, tích phân mô tả trình xảy chúng giống Kết thí nghiệm mô hình quy đổi tương đương, cho phép ta xác đònh thông số cho hệ thống thực Phương pháp giải tích phương pháp thực nghiệm hai phương pháp tiếp cận vấn đề Chúng phát triển song song bổ sung lẫn Kết thực nghiệm giúp ta giải nhanh chóng vấn đề thực hành, đồng thời giúp hoàn thiện phương pháp nghiên cứu giải tích, hoàn thiện mô hình mô tả lưu chất Phương pháp giải tích cho ta kết có tính tổng quát, lý luận Đồng thời Bài giảngmơn học Thủy lực giúp bổ sung khiếm khuyết thực nghiệm, cho ta kết mà có thực nghiệm 1.2 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG 1.2.1 Khối lượng riêng, trọng lượng riêng, tỷ trọng a) Khối lượng riêng Khối lượng riêng ρ chất khối lượng đơn vò thể tích chất ρ= M W (kg/m3) (1.1) M – khối lượng chất lỏng chứa thể tích W (kg) W – thể tích chất lỏng có khối lïng M (m3) b) Trọng lượng riêng Trọng lượng riêng γ chất trọng lượng đơn vò thể tích chất γ = G W (N/m3) (1.2) G – trọng lượng khối chất lỏng chứa thể tích W (N) Đối chất lỏng đồng trọng lượng riêng tích số khối lượng riêng với gia tốc trọng trường g (g = 9,81 m/s2) γ = ρ.g (N/m3) (1.3) c) Tỷ trọng δ Là tỷ số trọng lượng riêng γ chất với trọng lượng riêng γ H O nước điều kiện tiêu chuẩn δ= γ (1.4) γH O Đôi người ta sử dụng khái niệm thể tích riêng v s Nó đònh nghóa thể tích đơn vò khối lượng chất Bài giảngmơn học Thủy lực vs = W = M ρ (m3/kg) (1.5) Nói chung giá trò ρ, γ phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ lưu chất Trong tính toán, ta thường sử dụng số giá trò cho bảng (ở điều kiện bình thường) Bảng 1: Một số giá trị ρ, γ điều kiện thơng thường Nước Không khí Thủy ngân ρ (kg/m3) 1000 1,228 13,6.103 γ (N/m3) 9,81.103 12,07 133.103 1.2.2 Tính nén Mọi vật thể dù chất rắn, chất lỏng khí nén Nghóa áp suất tăng từ p lên p + ∆p, thể tích vật thể giảm từ V xuống V - ∆V Để đặc trưng cho khả nén này, người ta sử dụng đại lượng gọi môđun đàn hồi K K = lim ∆V →0 ∆p dp = −V ∆V dV (1.6) Vì thay đổi thể tích theo áp suất chất lỏng bé nên thông thường vấn đề thủy lực, người ta coi chất lỏng không nén được, khối lượng đơn vò không đổi, trừ trường hợp va đập thủy lực đường ống Đối với chất khí, giá trò K nhỏ nhiều so với chất lỏng (nhỏ khoảng 104 lần) thay đổi nhanh theo thay đổi áp suất Người ta thường mô tả khả nén chất khí quan hệ áp suất, nhiệt độ khối lượng riêng theo phương trình khí lý tưởng : p.V = R.T (1.7) V – thể tích riêng (m3/kg) P – áp suất tuyệt đối (N/m3) T – nhiệt độ tuyệt đối (0K) R – số chất khí, xác đònh : Bài giảngmơn học Thủy lực R= R0 M (1.8) M – phân tử gam chất khí (kg/kmol) R – số Avogadro, R = 8314 (J/kmol.0K) 1.2.3 Tính nhớt Đây tính chất quan trọng có nhiều đặc tính kỹ thuật chất lỏng, nguyên nhân sinh tổn thất lượng chất lỏng chuyển động Khi lớp chất lỏng chuyển động chúng có chuyển động tương đối nảy sinh sức ma sát tạo nên biến đổi phận chất lỏng chuyển động thành nhiệt không lấy lại Sức ma sát gọi ma sát hay ứng suất tiếp lớp chất lỏng chuyển động, gọi tính nhớt chất lỏng Tính nhớt biểu sức dính phân tử chất lỏng, liên quan chặt chẽ đến khái niệm ma sát Đònh luật ma sát Niuton phát biểu sau : “ Sức ma sát lớp chất lỏng chuyển động tỷ lệ với diện tích tiếp xúc lớp ấy, không phụ thuộc vào áp lực, phụ thuộc vào gradien vận tốc theo chiều thẳng góc với phương chuyển động, phụ thuộc vào loại chất lỏng.” F = µ S du dy (1.9) Bài giảngmơn học Thủy lực y u=f(y) Lớp u+du dy u u F I du II h Lớp u O Hình 1.1 F – sức ma sát hai lớp chất lỏng S – Diện tích tiếp xúc hai lớp chất lỏng u – vận tốc chất lỏng u = f(y) – quy luật phân bố u theo phương y du - Gradien vận tốc theo phương y dy µ - số tỷ lệ, phụ thuộc vào loại chất lỏng, gọi hệ số nhớt động lực, (N.s/m2) Gọi τ ứng suất nội ma sát (hay ứng suất tiếp) đơn vò diện tích τ= F du =µ S dy (1.10) Tính nhớt đặc trưng hệ số nhớt động học : ν= µ ρ (m2/s) (1.11) Trong tính toán, ta thường sử dụng số giá trò thông dụng cho bảng (ở điều kiện bình thường) Bài giảngmơn học Thủy lực Bảng 2: Một số giá trị µ, ν điều kiện thơng thường Nước Không khí µ (poise) 10-2 1,8.104 ν (stoke) 0,01 0,15 poise = 0,1 N.s/m2 stoke = cm2/s Ngoài đơn vò stốc (stoke) dùng để đo độ nhớt động học nước dùng đơn vò : + Liên Xô : dùng độ Engle (0E) ν = 0,07310 E − 0,0631 E (cm2/s) (1.12) + Anh : giây Redut (“R) ν = 0,0026 "R − 1,27 " R (cm2/s) (1.13) + Mỹ : giây xebôn (“S) ν = 0,00220" S − 1,8 " S (cm2/s) (1.14) + Pháp: độ Ba1cbe (oB) (cm2/s) ν= (1.15) 48,5 o B Độ nhớt chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất môi trường - nh hưởng nhiệt độ tới độ nhớt xác đònh theo công thức tổng quát : µ = µ e − λ (t −t 0) (1.15) µ µ độ nhớt động lực nhiệt độ t t λ - hệ số tỷ lệ - Khi áp suất tăng tính µ theo công thức : µ = µ e α ( p − p 0) (1.16) µ µ trò số độ nhớt động lực ứng với áp suất p p Bài giảngmơn học Thủy lực α - hệ số thay đổi p p tính đơn vò atmotphe III/ LỰC TÁC DỤNG TRONG THỦY LỰC HỌC : Cũng môn học khác, nghiên cứu môn thủy lực ta thường sử dụng tới khái niệm lực Nhưng khác với học vật thể rắn – tồn lực tập trung lẫn lực phân bố, lưu chất tồn lực phân bố, lưu chất khả chòu lực tập trung Ta quan niệm : lưu chất môi trường liên tục ta sử dụng khái niệm phần tử hay vi phân thể tích lưu chất Lực tác dụng lên lưu chất chia làm hai loại : nội lực ngoại lực + Nội lực lực tương tác phân tử lưu chất + Ngoại lực lực tác dụng lên phần tử lưu chất từ phía môi trường vật lý bên từ phía vật thể khác tiếp xúc với thể tích lưu chất Nếu ta tách phần từ thể tích lưu chất để nghiên cứu, lực tác dụng từ phía lưu chất bao bọc xung quanh lên thể tích nghiên cứu trở thành ngoại lực Ngoại lực tác dụng lên thể tích lưu chất phân làm hai loại : lực khối lực mặt Lực khối ngoại lực từ phía môi trường bên tác dụng lên phần tử tạo nên thể tích khối lưu chất Giá trò lực khối tỷ lệ với khối lượng lưu chất (ví dụ trọng lực, lực quán tính, …) Lực mặt ngoại lực tác dụng lên thể tích lưu chất từ phía vật thể xung quanh ngang qua bề mặt bao quanh Giá trò lực mặt tỷ lệ với diện tích bề mặt, ví dụ áp suất khí tác dụng lên mặt thoáng, lực ma sát bề mặt tiếp xúc dòng chảy thành rắn ... điều kiện bình thường) Bảng 1: Một số giá trị ρ, γ điều kiện thơng thường Nước Không khí Thủy ngân ρ (kg/m3) 10 00 1, 228 13 ,6 .10 3 γ (N/m3) 9, 81. 103 12 ,07 13 3 .10 3 1. 2.2 Tính nén Mọi vật thể dù chất... 0,06 31 E (cm2/s) (1. 12) + Anh : giây Redut (“R) ν = 0,0026 "R − 1, 27 " R (cm2/s) (1. 13) + Mỹ : giây xebôn (“S) ν = 0,00220" S − 1, 8 " S (cm2/s) (1. 14) + Pháp: độ Ba1cbe (oB) (cm2/s) ν= (1. 15)... BẢN CỦA CHẤT LỎNG 1. 2 .1 Khối lư ng riêng, trọng lư ng riêng, tỷ trọng a) Khối lư ng riêng Khối lư ng riêng ρ chất khối lư ng đơn vò thể tích chất ρ= M W (kg/m3) (1. 1) M – khối lư ng chất lỏng chứa