Giáo án môn kỹ thuật thủy khí

KỸ THUẬT THUỶ KHÍ ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN KỸ THUẬT THUỶ KHÍ (Học phần bắt buộc) Tên học phần: KỸ THUẬT THUỶ KHÍ Số tín chỉ: Trình độ: Sinh viên năm thứ Phân bổ thời gian: - Lên lớp lý thuyết: 24 tiết - Thảo luận: 12 tiết Các học phần học trước: Toán (1,2,3,4); Vật lý ; Cơ học lý thuyết (1,2); Vẽ kỹ thuật; Sức bền vật liệu, Cơ ứng dụng Học phần thay thế, học phần tương đương: Không Mục tiêu học phần: Cung cấp cho sinh viên kiến thức để tính toán đại lượng đặc trưng chất lỏng có tương tác chất lỏng với bề mặt vật bao quanh vật ngập chất lỏng: - Tính áp suất chất lỏng tĩnh chất lỏng động, vẽ biểu đồ áp suất - Ứng dụng định luật Pascal, ứng dụng định luật: máy thuỷ lực - Áp lực chất lỏng lên bề mặt vật bất kỳ; tính toán cân vật ngập chất lỏng chuyển động - Tính toán vận tốc dòng chảy; áp suất thuỷ động; tính lưu lượng; - Thiết lập phương trình chuyển động chất lỏng; phương trình chuyển hoá lượng - Các ứng dụng phương trình Bernoulli thực tế - Phương trình động lượng dòng chất lỏng; kỹ thuật chế tạo tua bin, tên lửa, máy bay… - Tính toán lượng tổn hao chất lỏng chuyển động - Tính toán đường ống có áp: ống nối tiếp, phân phối, song song Qua giúp sinh viên củng cố bổ sung kiến thức học để giải vấn đề thực tiễn kỹ thuật, đặc biệt lĩnh vực liên quan đến chất lỏng Mô tả vắn tắt nội dung học phần: Cơ học chất lỏng nghiên cứu quy luật cân chuyển động học (vĩ mô) chất lỏng, lực tương tác chất lỏng vật ngập cách ứng dụng quy luật vào sản xuất Nội dung môn học bao gồm: KỸ THUẬT THUỶ KHÍ - Giới thiệu chất lỏng - Tĩnh học chất lỏng - Động học chất lỏng - Động lực học chất lỏng - Chuyển động chiều chất lỏng không nén - Tính toán thuỷ lực đường ống Nhiệm vụ sinh viên: - Dự lớp đầy đủ - Làm tập nhà - Chuẩn bị dụng cụ học tập đầy đủ: giáo trình, máy tính bấm tay… - Tham gia thảo luận 10 Tài liệu học tập: - Sách, giáo trình chính: [1]; Bài giảng môn học Cơ học chất lỏng - Bộ môn Cơ học [2]; Nguyễn Phước Hoàng, Phạm Đức Nhuận, Thủy lực máy thủy lực, (tập 1), NXB ĐH&THCN, Hà Nội, 1979 [3]; Nguyễn Hữu Chí, Bài tập học chất lỏng ứng dụng, NXB GD Hà nội, 1998 [ 4]; Bài tập môn học Cơ học chất lỏng - Bộ môn Cơ học [5]; Giáo trình Thuỷ lực tập I trường ĐH nước - Sách tham khảo: [6]; Vũ Duy Quang, Thủy khí động lực ứng dụng, ĐH BK Hà nội, 1996 [7]; Bài tậpThủy lực máy thủy lực, NXB Đại học THCN- 1979, Ngô Vi Châu - Nguyễn Phước Hoàng -Vũ Duy Quang - Đặng Huy Chí - Võ Sĩ Huỳnh Lê Danh Liên [8]; Cơ học chất lỏng kỹ thuật Tập 1, Nguyễn Tất Đạt - Mai Thắng, NXB Nông nghiệp-2000 [9]; Bài tập Cơ học chất lỏng kỹ thuật, Mai Thắng, NXB Nông nghiệp1994 [10]; Fluid mechanics ( First Sl Metric Edition 1983), Victor L Streeter & E Benjanmin Wylie KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 11 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Dự lớp: ≥ 80% tổng số môn học - Thảo luận + Bài tập: - Kiểm tra học phần: - Thi kết thúc học phần: 12 Thang điểm học phần: - Kiểm tra học phần: Trắc nghiệm, Trọng số 0,2 - Thảo luận + Bài tập: Trọng số 0,2 - Thi kết thúc học phần: Tự luận, Trọng số 0,6 13 Nội dung chi tiết học phần: 13.1 Nội dung chi tiết học phần Giới thiệu môn học Mô tả tóm tắt môn học Thời khóa biểu, lịch kiểm tra Điều kiện kết thúc khóa học Dự lớp Yêu cầu dụng cụ, đồ dùng học tập, giáo trình tài liệu tham khảo… Chương I Mở đầu (Tổng số tiết:3 ;số tiết lý thuyết: ; số tiết tập: ; thảo luận:0 ) 1.1 Đối tượng nghiên cứu nhiệm vụ môn học 1.1.1 Khái niệm môn học 1.1.2 Phương pháp nghiên cứu 1.1.3 Lịch sử phát triển môn học 1.2 Khái niệm chất lỏng thuỷ lực, số tính chất vật lý chất lỏng 1.2.1 Khái niệm chất lỏng 1.2.2 Các tính chất vật lý chất lỏng: 1/ Tính di động chất lỏng 2/ Tính liên tục chất lỏng 3/ Chất lỏng có khối lượng KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 4/ Chất lỏng có trọng lượng 5/ Tính nén chất lỏng 6/ Sự thay đổi thể tích thay đổi nhiệt độ áp suất khối chất lỏng 7/ Sức căng mặt 8/ Tính nhớt chất lỏng 1.3 Chất lỏng thực & chất lỏng lý tưởng, lực tác dụng lên chất lỏng – phân loại lực tác dụng 1.3.1 Chất lỏng thực - chất lỏng lý tưởng 1.3.2 Lực tác dụng lên chất lỏng – Phân loại lực tác dụng Chương II Thuỷ tĩnh học (Tổng số tiết: 12 ;số tiết lý thuyết: ; số tiết tập: ; thảo luận:3 ) 2.1 Khái niệm, phân loại trạng thái tĩnh 2.1.1 Khái niệm chung 2.1.2 Phân loại trạng thái tĩnh 2.2 Áp lực áp suất thuỷ tĩnh 2.2.1 Áp lực 2.2 Áp suất 2.3 Hai tính chất áp suất tĩnh 2.3.1 Tính chất 2.3.2 Tính chất 2.4 Phương trình vi phân cân phương trình tĩnh học 2.4.1 Thiết lập phương trình vi phân cân 2.4.2 Phương trình thuỷ tĩnh học 2.4.3 Mặt đẳng áp mặt đẳng 2.5 Các loại áp suất, biểu đồ áp suất, ý nghĩa phương trình 2.5.1 Các loại áp suất 2.5.2 Biểu đồ áp suất 2.5.3 Các thiết bị đo áp suất 2.5.4 Ý nghĩa phương trình 2.6 Định luật Pascal ứng dụng KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 2.6.1 Định luật Pascal 2.6.2 Ứng dụng 2.7 Tính áp lực chất lỏng tác động lên mặt phẳng 2.7.1 Nhận xét 2.7.2 Tìm trị số áp lực 2.7.3 Tìm điểm đặt áp lực 2.7.4 Bài toán ví dụ 2.8 Áp lực chất lỏng lên mặt cong 2.8.1 Nhận xét 2.8.2 Tìm trị số áp lực 2.8.3 Tìm phương, chiều, điểm đặt 2.8.4 Bài toán ví dụ 2.9 Định luật Archimedes – Sự vật 2.9.1 Định luật 2.9.2 Sự vật Chương III Động học chất lỏng (Tổng số tiết: ;số tiết lý thuyết: ; số tiết tập: ; thảo luận:0 ) 3.1 Khái niệm chung 3.1.1 Nhiệm vụ 3.1.2 Các giả thiết 3.1.3 Phương pháp nghiên cứu 3.1.4 Phân loại chuyển động chất lỏng 3.2 Các khái niệm sở 3.2.1 Đường dòng 3.2.2 Ống dòng 3.2.3 Dòng nguyên tố 3.2.4 Dòng chảy 3.2.5 Mặt cắt ướt 3.2.6 Chu vi ướt 3.2.7 Bán kính thuỷ lực 3.2.8 Vận tốc thực KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 3.2.9 Lưu lượng 3.2.10 Vận tốc trung bình 3.3 Chuyển động 3.3.1 Hàm dòng vận tốc 3.3.2 Tính lưu số vận tốc lưu lượng 3.3.3 Đường xoáy ống xoáy 3.3.4 Thế phức w(z), vận tốc phức w’(z) 3.4 Phương trình liên tục 3.4.1 Dạng tổng quát 3.4.2 Phương trình liên tục dòng nguyên tố 3.4.3 Phương trình liên tục dòng chảy ổn định Chương IV Động lực học chất lỏng (Tổng số tiết: ;số tiết lý thuyết: ; số tiết tập: ; thảo luận:0 ) 4.1 Phương trình vi phân chuyển động chất lỏng lý tưởng 4.2 Các dạng phương trình Bernoulli cho chất lỏng lý tưởng 4.3 Phương trình vi phân chất lỏng thực 4.3.1 Dạng ứng suất 4.3.2 Dạng Navie – Stock 4.4 Các dạng phương trình Bernoulli cho chất lỏng thực 4.4.1 Viết cho dòng nguyên tố 4.4.2 Viết cho toàn dòng 4.4.3 Ứng dụng phương trình Bernoulli 4.5 Phương trình động lượng - Định lí Ole Chương V Chuyển động chiều chất lỏng không nén (Tổng số tiết: ;số tiết lý thuyết:4 ; số tiết tập: ; thảo luận: ) 5.1 Tổn thất lượng dòng chảy 5.1.1 Nguyên nhân gây tổn thất 5.1.2 Tổn thất dọc đường 5.1.3 Tổn thất cục 5.2 Hai chế độ chảy – Thí nghiệm Reynold 5.2.1 Các chế độ chảy dòng chảy KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 5.2.2 Thí nghiệm Reynold 5.2.3 Tiêu chuẩn phân biệt hai chế độc chảy 5.3 Tính toán tổn thất dọc đường 5.3.1 Phương trình dòng chất lỏng chảy 5.3.2 Dòng chảy tầng 5.3.3 Dòng chảy rối 5.4 Tổn thất cục 5.4.1 Tổn thất cục ống đột ngột mở rộng 5.4.2 Tổn thất cục ống đột ngột co hẹp 5.4.3 Một số dạng tổn thất thường gặp ống Chương VI Tính toán thuỷ lực đường ống (Tổng số tiết: ;số tiết lý thuyết: ; số tiết tập: ; thảo luận: ) 6.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán đường ống 6.2 Phân loại đường ống – công thức tính 6.3 Bài toán đường ống đơn giản 6.4 Tính toán đường ống phức tạp 6.4.1 Đường ống nối tiếp 6.4.2 Đường ống song song 6.4.3 Đường ống phân phối liên tục 13.2 Nội dung Bài tập lớn: Không có 14 Lịch trình giảng dạy Tuần thứ Nội dung Tài liệu học tập, tham khảo Chương I [1],[2],[5], Mở đầu [6],[8],[10] (Tổng số tiết:3 ;số tiết lý thuyết: ; số tiết tập: ; thảo luận:0 ) 1.1 Đối tượng nghiên cứu nhiệm vụ môn học 1.1.1 Khái niệm môn học Hình thức Giảng lý thuyết KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 1.1.2 Phương pháp nghiên cứu 1.1.3 Lịch sử phát triển môn học 1.2 Khái niệm chất lỏng thuỷ lực, số tính chất vật lý chất lỏng 1.2.1 Khái niệm chất lỏng 1.2.2 Các tính chất vật lý chất lỏng: 1/ Tính di động chất lỏng 2/ Tính liên tục chất lỏng 3/ Chất lỏng có khối lượng 4/ Chất lỏng có trọng lượng 5/ Tính nén chất lỏng 6/ Sự thay đổi thể tích thay đổi nhiệt độ áp suất khối chất lỏng 7/ Sức căng mặt 8/ Tính nhớt chất lỏng 1.3 Chất lỏng thực& chất lỏng lý tưởng, lực tác dụng lên chất lỏng – phân loại lực tác dụng 1.3.1 Chất lỏng thực - chất lỏng lý tưởng 1.3.2 Lực tác dụng lên chất lỏng – Phân loại lực tác dụng Chương II [1],[2],[5] Thuỷ tĩnh học [6],[8],[10] (Tổng số tiết: 12 ;số tiết lý thuyết: ; số tiết tập: ; thảo luận:3 ) 2.1 Khái niệm, phân loại trạng thái tĩnh 2.1.1 Khái niệm chung 2.1.2 Phân loại trạng thái tĩnh 2.2 Áp lực áp suất thuỷ tĩnh 2.2.1 Áp lực Giảng lý thuyết KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 2.2 Áp suất 2.3 Hai tính chất áp suất tĩnh 2.3.1 Tính chất 2.3.2 Tính chất 2.4 Phương trình vi phân cân phương trình tĩnh học 2.4.1 Thiết lập phương trình vi phân cân 2.4.2 Phương trình thuỷ tĩnh học 2.4.3 Mặt đẳng áp mặt đẳng 2.5 Các loại áp suất, biểu đồ áp suất, ý nghĩa phương trình 2.5.1 Các loại áp suất 2.5.2 Biểu đồ áp suất 2.5.3 Các thiết bị đo áp suất 2.5.4 Ý nghĩa phương trình 2.7 Tính áp lực chất lỏng tác động lên mặt phẳng [1],[2],[5] [6],[8],[10] Giảng lý thuyết 2.7.1 Nhận xét 2.7.2 Tìm trị số áp lực 2.7.3 Tìm điểm đặt áp lực 2.8 Áp lực chất lỏng lên mặt cong 2.8.1 Nhận xét 2.8.2 Tìm trị số áp lực 2.8.3 Tìm phương, chiều, điểm đặt 2.7.4 Bài toán ví dụ áp lực tác dụng lên [1],[2],[6],[8], Thảo luận mặt phẳng [10],[4],[9], tập 2.8.4 Bài toán ví dụ áp lực tác dụng lên [3],[5] mặt cong 2.6 Định luật Pascal ứng dụng 2.6.1 Định luật Pascal 2.6.2 Ứng dụng [1],[2],[6],[8], Thảo luận [10],[4],[9], tập [3],[5] KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 10 2.9 Định luật Archimedes – Sự vật 2.9.1 Định luật 2.9.2 Sự vật Chương III [1],[2],[5], Động học chất lỏng [6],[8],[10] (Tổng số tiết: ;số tiết lý thuyết: ; số tiết tập: ; thảo luận:0 ) 3.1 Khái niệm chung 3.1.1 Nhiệm vụ 3.1.2 Các giả thiết 3.1.3 Phương pháp nghiên cứu 3.1.4 Phân loại chuyển động chất lỏng 3.2 Các khái niệm sở 3.2.1 Đường dòng 3.2.2 Ống dòng 3.2.3 Dòng nguyên tố 3.2.4 Dòng chảy 3.2.5 Mặt cắt ướt 3.2.6 Chu vi ướt 3.2.7 Bán kính thuỷ lực 3.2.8 Vận tốc thực 3.2.9 Lưu lượng 3.2.10 Vận tốc trung bình 3.3 Chuyển động 3.3.1 Hàm dòng vận tốc 3.3.2 Tính lưu số vận tốc lưu lượng 3.3.3 Đường xoáy ống xoáy 3.3.4 Thế phức w(z), vận tốc phức w’(z) 3.4 Phương trình liên tục 3.4.1 Dạng tổng quát 3.4.2 Phương trình liên tục Giảng lý thuyết KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 71 trạng thái có vận tốc chuyển tiếp không với thí nghiệm khác - Thí nghiệm chứng tỏ: lưu tốc phân giới phụ thuộc vào loại chất lỏng mà phụ thuộc vào đường kính ống làm thí nghiệm 5.2.3 Tiêu chuẩn phân biệt hai chế độc chảy Qua thí nghiệm thấy lưu tốc phân giới v k phụ thuộc loại chất lỏng mà phụ thuộc vào đường kính ống, đưa đại lượng không thứ nguyên để phân biệt trạng thái chảy gọi số Reynolds (Re) Re = Trong đó: - v.d ν (5.2-1) ν (St =cm2/s): Hệ số nhớt động học d: Đường kính ống v: Lưu tốc trung bình mặt cắt Trị số Reynolds tương ứng với trạng thái phân giới từ chảy tầng sang chảy rối, ngược lại từ chảy rối sang chảy tầng, gọi trị số Reynolds phân giới Rek + Ứng với vktr ta có Rektr : + Ứng với vkd ta có Rekd: Khi : Re < Rekd=> Trạng thái chảy tầng Re > Rektr => Trạng thái chảy rối Rekd < Re < Rektr => chảy phân giới, trạng thái chảy phân giới dễ chuyển sang trạng thái chảy rối, nên thường coi chảy rối Do vậy, ta phân thành hai trạng thái chảy dựa vào số Rekd = 2320 - Trong tính toán qui ước: Re < 2320 => Trạng thái chảy tầng Re > 2320 => Trạng thái chảy rối - Đối với kênh dẫn dùng bán kính thuỷ lực R để tính Re, ký hiệu ReR Re R = v.R ν (5.2-2) Khi : ReR < 580 => Trạng thái chảy tầng ReR > 580 => Trạng thái chảy rối Ảnh hưởng trạng thái chảy quy luật tổn thất cột nước: Trạng thái chảy quan trọng quy luật tổn thất cột nước Khi tốc độ chảy tăng, KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 72 xáo trộn phần tử chất lỏng mạnh Do chuyển động chất lỏng gặp nhiều trở lực Vì vậy, dòng chảy rối, tổn thất lượng lớn dòng chảy tầng tăng tốc độ lớn 5.3 TÍNH TOÁN TỔN THẤT DỌC ĐƯỜNG 5.3.1 Phương trình dòng chất lỏng chảy Lấy đoạn ống dài L d=const, v1=v2, ω=ω1=ω2 Tại mặt cắt 1-1 có: z1, p1, v1 Tại mặt cắt 2-2 có: z2, p2, v2 - Ta cần tìm mối quan hệ tổn thất cột nước dọc đường với sức cản ma sát dòng chảy Trong dòng chảy có áp, ta lấy đoạn dòng dài L giới hạn mặt cắt ướt 1-1 2-2, phương chảy lập với phương thẳng đứng góc θ ω diện tích mặt cắt, dòng chảy ω =const L chiều dài, khoảng cách hai mặt cắt τ ứng suất tiếp biểu thị ma sát đơn vị diện tích - Các ngoại lực tác dụng lên đoạn dòng chất lỏng chảy đều, chiếu theo phương trục dòng chảy là: Lực khối: Ở lực khối trọng lực: G= γ.V hình chiếu lên trục dòng chảy là: Gcosθ = γωLcosθ Trong dòng chảy gia tốc Do đó, lực quán tính không Lực mặt: Có động áp lực tác dụng vào mặt cắt ướt lực ma sát (a) Động áp lực: Áp lực tác dụng thẳng góc vào mặt cắt ướt, lực song song với phương trục dòng chảy hướng vào mặt cắt ướt xét P1 = p1ω P2 = p2ω Các áp lực thủy động tác dụng lên mặt bên đoạn dòng thẳng góc với trục dòng Do hình chiếu lên trục dòng chảy KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 73 L P1 v1 τ G ro P2 v2 θ 0 Hình 5-2 (b) Lχ.τ Ở mặt xung quanh có lực ma sát ngược chiều chảy: Lực ma sát đặt ngược chiều dòng chảy, tích số ứng suất tiếp τ với diện tích tiếp xúc tuyến L.χ Vì dòng chảy đều, tức chuyển động gia tốc, nên tổng số hình chiếu lực phương trục dòng không: γ.ω.L.cosθ - Lχ.τ + p1.ω - p2.ω = (5.3-1) Mà cosθ = (z1-z2)/L (5.3-2) Chia hai vế phương trình (5.3-1) cho ω.γ ta được: ( z1 − z ) + ( p1 − p ) γ = τ.χ.L τ.L = γω γR (5.3-3) Mặt khác, ta viết phương trình Becnoulli cho hai mặt cắt 1-1 2-2 với mặt chuẩn 0-0 hình vẽ: Vì dòng chảy nên: v1 = v2 KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 74 ( z1 − z ) + ( p1 − p ) γ = h w1− = h d (5.3-4) Trong dòng chảy đều, tổn thất cột nước tổn thất dọc đường: hw1-2 = hd Từ phương trình (5.3-3) phương trình (5.3-4) ta có: hd = τ.L γ.R (5.3-5) Trong đó: R bán kính thủy lực Phương trình (5.2-7) phương trình dòng cho dòng chảy có áp lẫn không áp Nhận xét: Theo cách lập luận trên, dòng chảy có áp, phương trình cho phần dòng chảy có bán kính r < r Ở phần này, ta gọi ứng suất tiếp, bán kính thủy lực tính cho ống tròn bán kính r: R = r (5.3-6) 5.3.2 Dòng chảy tầng Ứng suất tiếp dòng chảy Đối với toàn ống bán kính ro, ứng suất tiếp τ , ta có phương trình (5.2-7) sau: r h r τ = γ d = γ J L Trong đó: J = (5.3-7) hd (%o) độ dốc thuỷ lực L Phân bố lưu tốc: Mặt khác theo công thức lực ma sát xuất Newton: τ = −µ du dr Thay vào phương trình (5.3-7) ta có: du γ.J r =− dr µ ⇒ du = − γ.J r dr µ Tích phân phương trình ta có: u ∫ du = ∫ uo r ro − γJ r dr µ Thành ống: uo=0, ro Ta có quy luật phân bố vận tốc u theo r ống tròn: (5.3-8) KỸ THUẬT THUỶ KHÍ ( 2 γJ r − ro u=− 2µ Tại tâm ống: u = u max ) γJro2 = 4µ 75 (5.3-9) (5.3-10) Lưu lượng: dQ = u.dω = u.2πr.dr Thay quy luật phân bố u theo (5.3-9) vào phương trình ta có: γπ.Jro4 Q= 8µ (5.3-11) Vận tốc trung bình mặt cắt: γJro2 u max Q γπJro4 v= = = = ω 8µ.πro2 8µ (5.3-12) Hệ số hiệu chỉnh động năng: ∫ u dω α= ω v ω =2 (5.3-13) Tổn thất dọc đường: Từ (5.3-12) ta có: J= h 8µ 8µ v ⇔ d = v L γro γro ⇒ hd = 8µL 8.ν.ρ.L v 64 L v v = = v.d d 2g γro2 d v ρ.g.  ν 2 (5.3-14) So sánh với công thức tổng quát (5.1-1) ta có công thức tính λ dòng chảy tầng: (5.3-15) 5.3.3 Dòng chảy rối Ứng suất tiếp dòng chảy rối: Tại sát vỏ ống có tốc độ nhỏ, trì lớp mỏng chảy tầng, vận tốc ống tăng, lõi rối trục ống tăng; mức độ rối phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy u Do số tác giả cho ứng suất tiếp tổng quát gồm ma sát nhớt ma sát rối Đa số xáo lộn phần tử dòng chảy rối tạo nên tác dụng lôi hãm lại lớp chất lỏng KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 76 Lưu tốc thực - lưu tốc trung bình thời gian - Lưu tốc mạch động - Động dòng chảy rối Khi dòng chảy chuyển sang trạng thái chảy rối, môi trường chất lỏng coi đầy phần tử chất lỏng chuyển động hỗn loạn, nói chung có xu xuôi dòng Lưu tốc điểm phụ thuộc thời gian thay đổi trị số lẫn phương hướng Lớp mỏng chảy tầng - Thành nhám thành trơn thủy lực Trong thực tế hầu hết dòng chảy ống chảy rối Lưu tốc mặt cắt ướt phân bố so với trường hợp chảy tầng Dòng chảy rối: Các phần tử chuyển động hỗn loạn Lôi kéo kìm hãm Gọi ∆ độ nhám ống (mố nhám) Một vật liệu dù tinh chế tốt có độ gồ ghề, hay nói khác độ nhám Tổn thất dọc đường: 5.4 TỔN THẤT CỤC BỘ 5.4.1 Tổn thất cục ống đột ngột mở rộng V2; ω2 V1; ω1 Hình 5-3 hc ( v1 − v ) = Do vậy: ⇒ ξ mr 2g  ω = 1 −  ω2  ω1  v12  = 1 − ω  2g     (5.4-1) (5.4-2) Khi tính tổn thất hC với vận tốc v1, hay nói khác tính toán với vận tốc trước xảy tổn thất Trường hợp đặc biệt: Khi chất lỏng từ ống nhỏ vào bể chứa lớn: KỸ THUẬT THUỶ KHÍ ω1 → (vì ω2 >>ω1) đó: ξmr = ξcr = ω2 77 (5.4-3) 5.4.2 Tổn thất cục ống đột ngột co hẹp ωC ω1  ω  ξ th = 0,51 −   ω1  ω2 Hình 5-4 (5.4-4) Tính toán hC với ξth theo công thức (5.4-4) ta tính toán với vận tốc v 2, hay tính toán với vận tốc sau tổn thất Trường hợp đặc biệt: Khi dòng chất lỏng từ bể chứa lớn vào ống nhỏ, ta có: ω2 → ω1 >> ω2 vậy: ξth = ξcv = 0,5 ω1 (5.4-5) 5.4.3 Một số dạng tổn thất thường gặp ống Tổn thất uốn - Nếu góc cong α= 90o ống tròn bán kính ro, bán kính cong R ta có: r  ξ C = 0,13 + 1,85 o  R - 3, Nếu góc cong α≠ 90o ta nhân ξC với (5.4-6) α 90 o KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 78 Hình 5-5 Tổn thất qua van Hình 5-6 Hệ số ξC phụ thuộc vào góc mở cho bảng sau đây: αo 10 20 30 40 50 60 70 80 ξC 0,05 0,29 1,56 5,47 17,3 52,6 206 486 ∞ B Nội dung thảo luận C Ngân hàng câu hỏi, tập a Câu hỏi Trình bày thí nghiệm Reynolds – Hai trạng thái chảy – số Re? KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 79 Tổn thất cột nước chia làm loại, trình bày khái niệm công thức tính trường hợp tổng quát? Trình bày dòng chảy tầng ổn định ống trụ tròn, tính u, Q, v, α , hd? Tổn thất lượng cục dòng chảy rối mở rộng đột ngột số dạng tổn thất cục ống? b Bài tập Các toán xác định chế độ chảy, thông số dòng chảy lưu lượng, tiết diện dòng chảy, phân bố áp suất, hệ số hiệu chỉnh động Các toán vận dụng phương trình Becnuli, phương trình liên tục, đặc điểm phân bố vận tốc áp suất mặt cắt ngang dòng để xác định yếu tố động học động lực học dòng chảy Các toán kỹ thuật vận dụng phương trình liên tục, phương trình Becnuli công thức tính tổn thất dọc đường, tổn thất cục bộ, đặc điểm dòng chảy qua lỗ vòi gắn liền với thực tế kỹ thuật KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 80 Chương VI: TÍNH TOÁN THUỶ LỰC ĐƯỜNG ỐNG VI.1 Mục tiêu, nhiệm vụ - Mục tiêu: Tính toán hệ thống ống ngắn, ống dài, ống đơn giản, ống nối phức tạp Các yếu tố chất lỏng chuyển động đường ống - Nhiệm vụ sinh viên: Đọc trước lên lớp Ôn lại chương IV, chương V - Đánh giá: Bài tập, trả lời câu hỏi lớp VI.2 Quy định hình thức học tập: Nội dung Hình thức học 6.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán đường Giảng ống 6.2 Phân loại đường ống – công thức tính 6.3 Bài toán đường ống đơn giản 6.4 Tính toán đường ống phức tạp 6.4.1 Đường ống nối tiếp 6.4.2 Đường ống song song 6.4.3 Đường ống phân phối liên tục VI.3 Các nội dung cụ thể A Nội dung lý thuyết 6.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐƯỜNG ỐNG Trong kỹ thuật thực tiễn sản xuất ta gặp nhiều trường hợp loại chất lỏng chảy đường ống có áp khác với nhiệm vụ khác (Như ống dẫn nước hệ thống cung cấp nước, ống dẫn nhiên liệu, dẫn hoá chất thiết bị máy móc, hệ thống truyền động, truyền lực ) Mục đích tính toán thuỷ lực đường ống thiết kế hệ thống đường ống kiểm tra để sửa chữa, điều chỉnh hệ thống sẵn có phù hợp với yêu cầu cụ thể xác định thông số: Lưu lượng Q; Cột áp H đầu cuối đường ống, đường kính d d H - Phương trình Bernoulli chất lỏng thực: KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 81 p1 v12 p2 v 22 z1 + + α1 = z2 + + α2 + h w1− γ 2g γ 2g - Phương trình liên tục: Q = v.ω = const - Dùng hệ số đặc trưng lưu lượng K: Nội dung: Phương pháp dùng để tính toán đường ống dài, chảy rối chảy có áp Do ống dài nên H = hw ≈ hd = J.l Trong đó: J độ dốc thuỷ lực; l Chiều dài ống Vận tốc dòng chảy xác định theo công thức Chezy: v = C RJ (6.1-1) y Trong đó: 1d R- Bán kính thuỷ lực; C =   - Hệ số Chezy n4 n - Độ nhám tương đối; y - Hệ số phụ thuộc R n Do lưu lượng qua ống là: Q = ωC RJ = K J (6.1-2) Với J = Q = K (m3/s), có nghĩa K lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt ướt độ dốc thuỷ lực đơn vị gọi hệ số đặc trưng lưư lượng K=K(d,n) Thay J=hd/l vào (6.1-2) ta có H = h d = l Q2 K2 (6.1-3) Các giá trị K tính sẵn cho loại ống có d n khác ứng với v>1,2m/s ( chảy rối khu sức cản bình phương) (Xem phụ lục giáo trình [1], [2]) Ứng với chảy tầng v ≤ 1,2m/s phải nhân (6.1-3) với hệ số hiệu chỉnh tổn thất a v 0,2 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 a 1,41 1,2 1,15, 1,115 1,085 1,06 0,9 1,0 1,1 1,2 1,04 1,03 1,015 6.2 PHÂN LOẠI ĐƯỜNG ỐNG – CÔNG THỨC TÍNH 6.2.1 Phân loại đường ống: Dựa vào đặc điểm tổn thất lượng đường ống ta chia đường ống thành hai loại: - Đường ống ngắn: Là đường ống có chiều dài không đáng kể, tổn thất lượng cục chủ yếu ( (∑ h C > 0,1∑ h d ) Ví dụ ống hút máy bơm ly tâm, KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 82 đường ống, đường ống dẫn nhiên liệu, dẫn dầu bôi trơn động cơ.v.v - Đường ống dài: Là đường ống có chiều dài lớn, tổn thất lượng dọc đường chủ yếu (∑ h C < 0,1∑ h d ) Ví dụ đường ống hệ thống cung cấp nước, dẫn nhiên liệu từ bể chứa tới điểm phân phối.v.v Dựa vào điều kiện thuỷ lực cấu trúc đường ống chia ra: - Đường ống đơn giản: đường ống có đường kính d lưu lượng Q không đổi dọc theo chiều dài ống (Hình 6-1 (a)) - Đường ống phức tạp: d Q thay đổi, nghĩa gồm nhiều đường ống đơn giản ghép nối lại đường ống có mạch rẽ, đường ống chia nhánh song song, đường ống có mạch vòng kín.v.v Hình 6-1 (b), (c), (d) Hình 6-1 6.2.2 Công thức tính: - Phương trình Bernoulli chất lỏng thực: z1 + Hay p1 v2 p v2 + α1 = z + + α 2 + h w1− γ 2g γ 2g H1 = H2 + hw1-2 (6.2-1) KỸ THUẬT THUỶ KHÍ Trong đó: p1 v12 H1 = z1 + + α1 γ 2g H2 = z2 + Cột áp đầu ống p2 v2 + α2 γ 2g Cột áp cuối ống - Phương trình liên tục: Q = v.ω = const - Công thức tính hw: h c = ξC v2 ; 2g h d = λ 83 l v2 d 2g Dựa vào phương trình suy công thức chung: f(H1, H2, d, Q, l ) = 6.3 BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ ĐƯỜNG ỐNG ĐƠN GIẢN 6.3.1 Tính H1, biết H2, Q, l, d, n (độ nhám tương đối ống) Từ phương trình Bernoulli: l  v2  l  4.Q   H = H1 − H =  ∑ ξ + λ  =  ∑ ξ + λ   d  2g  d  πd  2g    l  4.Q  + H2  d  πd  g Suy H =  ∑ ξ + λ  (6.3-1) (6.3-2) Công thức (6.3-2) dùng cần tính độ cao tháp nước cột áp đầu đoạn ống 6.3.2 Tính Q, biết H1, H2, l, d, n Từ (6.3-1) ta rút ra: Q= ( H1 − H ) π2d 4g l  8 ∑ ξ + λ  d  (6.3-3) Dựa vào công thức (6.3-3) ta thấy dù biết H 1, H2, l, d, n chưa xác định λ=f(Re) Bài toán phải giải theo phương pháp thử dần để chọn λ từ giá trị Q 6.4 TÍNH TOÁN ĐƯỜNG ỐNG PHỨC TẠP Tính toán đường ống phức tạp dựa tên sở tính toán đường ống đơn giản Sau ta xét số hệ thống đường ống phức tạp thường gặp Trên sở suy cách tính toán hệ thống khác 6.4.1 Đường ống nối tiếp Đặc điểm thuỷ lực Q= Q1 = Q2 = =Qn (6.4-1) H=H1 + H2+ +Hn (6.4-2) Hđầu - Hcuối = H = ∑h + ∑h d C 84 KỸ THUẬT THUỶ KHÍ Q1 Hình 6-2 3.2.6 Đường ống song song Q= Q1 + Q2 + +Qi + + Qm Hđầu -Hcuối = H = H1 = H2 = = =Hi = =Hm H1 = ∑h + ∑h d C đường ống Hình 6-3 6.4.3 Đường ống phân phối liên tục Hình 6-4 Qth =ql (q – Lưu lượng đơn vị dài) Qx = Qv –q.x KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 85 Trên đoạn dx nhỏ có tổn thất dọc đường dh Với dh tính theo công théo công thức tổng quát hd (5.1-1) dh = λ dx v dx  4Q  dx ( Q v − qx ) = λ  2x  = λ d 2g d  πd  2g π g d l ⇒ h d = ∫ dh = o l  Q 2th    λ Q − Q Q + v1 v th π2g d   (6.4-3) Tổn thất dọc đường ống phân phối nước tính toán theo công thức (6.4-3) B Nội dung thảo luận Buổi - Đề tài thảo luận, tập: Trạng thái chuyển động ống ảnh hưởng đến tổn thất chất lỏng? Chất lỏng chảy ống xiphông: Cấu tạo ống, nguyên lý hoạt động ống, thay đổi áp suất ống xiphông Dùng khoá thay đổi lưu lượng ống - Hướng dẫn sinh viên chuẩn bị báo cáo cho buổi thảo luận: C Ngân hàng câu hỏi, tập a Câu hỏi: Phân biệt loại đường ống sở tính toán? Ba toán đơn giản tính toán đường ống ngắn? Trình bày tính toán thuỷ lực đường ống dài, toán? b Bài tập: Tính toán ống ngắn: Ống xi phông, ống hút máy bơm ly tâm, ống đơn giản… Tính toán đường ống dài: ống ghép nối tiếp, ống ghép song song, ông phân phối nước, hệ thống ống ghép kết hợp o O o [...]... trong kỹ thuật và vệ sinh môi trường, nói riêng trong thông gió và cấp nhiệt Việc tính toán ống dẫn nước, dẫn khí, dẫn không khí, dẫn hơi.v.v , việc chế tạo máy bơm, máy nén khí, quạt gió.v.v do đó dòi hỏi một người kỹ sư muốn có kiến thức toàn diện và khả năng làm việc tốt trong bất kỳ lĩnh vực nào thuộc về kỹ thuật, phải có kiến thức cơ bản về chất lỏng và chất khí, đó chính là môn học kỹ thuật thuỷ khí. .. Phân loại lực tác dụng I.3 Các nội dung cụ thể KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 16 A Nội dung lý thuyết • Nội dung giảng dạy: 1.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM VỤ MÔN HỌC 1.1.1 Khái niệm môn học - Khái niệm môn học: Kỹ thuật thuỷ khí là khoa học nghiên cứu và ứng dụng các qui luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng - chất khí, lực tác động qua lại giữa môi trường lỏng – khí với các vật thể chuyển động trong nó hoặc... của môn học được mở rộng Các quy luật thuỷ lực được ứng dụng, nghiên cứu cho các loại chất lỏng như xăng, dầu, rượu, cồn, nước, kim loại nóng chảy, hỗn hợp chất lỏng và chất rắn, chất rắn và chất khí, chất khí và chất rắn, các loại chất khí khi bị nén - Kỹ thuật thuỷ khí có vai trò rất quan trọng trong nhiều ngành kỹ thuật khác nhau như thuỷ lợi, năng lượng, giao thông vận tải, cấp thoát nước, cơ khí, ... dụng lên diện tích phẳng nói trên bằng: KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 34 P = γhCω (2.7-5) Trong thực tiễn kỹ thuật, nhiều khi mặt phẳng cần xét chịu áp lực thủy tĩnh về một phía, còn phía kia của mặt phẳng lại chịu áp lực của không khí; trong trường hợp đó mặt phẳng chỉ chịu áp lực dư mà thôi vì áp lực không khí truyền từ mặt thoáng đến mặt phẳng đã cân bằng với áp lực không khí tác dụng vào phía khô của mặt phẳng... luận và bài tập lần 4 : Chương V và chương VI • Tính toán tổn thất chất lỏng • Tính toán thuỷ lực đường ống 85 KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 15 Chương I: MỞ ĐẦU I.1 Mục tiêu, nhiệm vụ - Mục tiêu: Giúp sinh viên có khái niệm về môn học, vị trí môn học và những ứng dụng chính của môn học trong thực tế - Nhiệm vụ của sinh viên: Đọc lý thuyết trước khi lên lớp - Đánh giá: I.2 Quy định hình thức học tập cho mỗi nội dung... Định lí Euler 1 65 KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 14 Chương V: CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT LỎNG KHÔNG NÉN 67 5.1 Tổn thất năng lượng dòng chảy 68 5.2 Hai chế độ chảy – Thí nghiệm Reynolds 69 5.3 Tính toán tổn thất dọc đường 72 5.4 Tổn thất cục bộ 76 Chương VI: TÍNH TOÁN THUỶ LỰC ĐƯỜNG ỐNG 80 6.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán đường ống 80 6.2 Phân loại đường ống – công thức tính 81 6.3 Bài toán cơ bản về đường... tuyệt đối là tổng áp suất gây ra bởi cả khí quyển và cột chất lỏng tác dụng lên điểm trong lòng chất lỏng Kí hiệu: pt Công thức tính: pt = po+ γh (2.5-1) Trong đó: po là áp suất tuyệt đối tại mặt thoáng Áp suất dư: áp suất tại một điểm trong chất lỏng và chất khí khi so sánh với áp suất khí quyển lân cận xung quanh, nếu áp suất tuyệt đối tại đó dư hơn so với áp suất khí quyển ta có giá trị áp suất dư,... toán thuỷ lực đường ống (Tổng số tiết: 3 ;số tiết lý thuyết: 2 ; số tiết bài tập: 1 ; thảo luận: 0 ) 6.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán đường ống 6.2 Phân loại đường ống – công thức tính 6.3 Bài toán cơ bản về đường ống đơn giản 6.4 Tính toán đường ống phức tạp 6.4.1 Đường ống nối tiếp 6.4.2 Đường ống song song 6.4.3 Đường ống phân phối liên tục 13 Bài tập chương V, chương VI [10],[4],[9], [3],[5] KỸ THUẬT... chiều rộng đáy, song song với trục lấy mômen; a là chiều cao hình tam giác hạ từ đỉnh xuống đáy b) - Hình tròn Ο: Jc = πR 4 4 (2.7-12) KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 36 ( R là bán kính hình tròn) - πba 3 JC = 4 Hình elíp: (2.7-13) ( với b là bán trục song song với trục lấy mômen, a là bán trục vuông góc với trục lấy mômen) + Xác định xD: Tương tự như tìm yD ta có: Áp dụng định lý Varinhông: P xD = xD = P xD = ∫ xdP... luật Pascal và ứng dụng Thảo luận KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 24 2.6.1 Định luật Pascal 2.6.2 Ứng dụng 2.7 Tính áp lực chất lỏng tác động lên mặt phẳng Giảng 2.7.1 Nhận xét 2.7.2 Tìm trị số áp lực 2.7.3 Tìm điểm đặt áp lực 2.7.4 Bài toán ví dụ 2.8 Áp lực chất lỏng lên mặt cong Thảo luận Giảng 2.8.1 Nhận xét 2.8.2 Tìm trị số áp lực 2.8.3 Tìm phương, chiều, điểm đặt 2.8.4 Bài toán ví dụ Thảo luận 2.9 Định luật ... chất khí, chất khí chất rắn, loại chất khí bị nén - Kỹ thuật thuỷ khí có vai trò quan trọng nhiều ngành kỹ thuật khác thuỷ lợi, lượng, giao thông vận tải, cấp thoát nước, khí, hàng không.v.v , kỹ. .. dung cụ thể KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 16 A Nội dung lý thuyết • Nội dung giảng dạy: 1.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM VỤ MÔN HỌC 1.1.1 Khái niệm môn học - Khái niệm môn học: Kỹ thuật thuỷ khí khoa học... toán tổn thất chất lỏng • Tính toán thuỷ lực đường ống 85 KỸ THUẬT THUỶ KHÍ 15 Chương I: MỞ ĐẦU I.1 Mục tiêu, nhiệm vụ - Mục tiêu: Giúp sinh viên có khái niệm môn học, vị trí môn học ứng dụng môn