TS HOÀNG »ỨC LIÊN (Chủ biên) - TS NGUYỄN THANH NAM THỦY Lực «)cÀ CẤP THOẮT Nưởc TRONG nang nghiệp NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC - 2000 631 194/112-00 G D -00 Mã số : 7B557M0 LỜ I NÓI ĐẦU Nhằm đáp ứng yêu cầu giảng dạy học tập giáo viên sinh viên thuộc ngành khí nơng nghiệp trường nơng nghiệp tình hình mói, chúng tơi biên soạn giáo trình "THỦY Lực VÀ CẤP THỐT NƯỚC TRONG NƠNG NGHIỆP” với khối lượng năm đom vị học trình (75 tiết học), hai tác giả TS HOÀNG ĐỨC LIÊN TS NGUYỄN THANH NAM biên soạn TS Hoàng Đức Liên chủ biên viết chương 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 TS Nguyễn Thanh Nam viết chương 1, 2, 3, 4, Giáo trình trình bày ngắn gọn, dễ hiểu, đề cập nội dung trọng tâm môn học : Thủy lực học, máy bơm cấp nước ; có gợi ý tham khảo để phát triển thêm tư nghiên cứu mơn học sinh viên Ngồi ra, sách dùng làm tài liệu học tập, tham, khảo cho sinh viên đại học cao đẳng kỹ thuật khí thuộc ngành nơng, lâm, ngư nghiệp hệ tập trung chức Tuy nhiên, trình độ có hạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót, mong độc giả phê bình góp ý Tác giả xin chân thành cảm ơn đóng góp ý kiến PGS TS Nguyễn Thanh Tùng, tập thể cán giảng dạy nhóm Thủy lực cấp nước - Khoa điện - Trường đại học Nông nghiệp I Hà Nôi PGS TSKH Vũ Quy Quang - Trưởng mơn Thủy khí kỹ thuật - Hàng không, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội, tháng 11 năm 1999 CÁC TÁC GIẢ Phần THỦY Lự c HOC Chương MỞ ĐẦU 1.1 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u MÔN HỌC, ỨNG DỤNG 1.1.1 Đối tượng Đối tượng nghiên cứu môn thủy lực học chất lỏng Chất lỏng hiểu theo nghĩa rộng, bao gồm chất lỏng thể nước - chất lỏng không nén (khối lượng riêng p = const) chất lỏng thể khí - chất lỏng nén (khối lượng riêng p * const ) Trong phạm vi giáo trình chủ yếu nghiên cứu chất lỏng thể nước, mở rộng kết nghiên cứu chất lỏng thể nước cho chất lỏng thể khí khơng có khó khăn Thủy lực học môn khoa học sở nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng đồng thời vận dụng quy luật để giải vấn đề kỹ thuật thục tiễn sản xuất đời sống Chính mà có vị trí nhịp cầu nối mơn khoa học với nhữríg mơn kỹ thuật chuyên ngành 1.1.2 Phương pháp nghiên cứu Trong thủy lực học thường dùng phương pháp nghiên cứu phổ biến sau Phương pháp lý thuyết : Sử dụng cơng cụ tốn học, chủ yếu tốn giải tích, phương trình vi phân với tốn tử vi phân quen thuộc : gradient, divergnt, rotor, toán tử Laplas, đạo hàm toàn phần Sử dụng định lý tổng quát học định lý bảo toàn khối lượng, lượng, định lý biến thiên động lượng, mo men động lượng ' Phương pháp thực nghiệm : dùng số trường hợp mà giải lý thuyết (như xác định hệ số cản cục bộ, hệ s ố X ) Phương pháp bán thực nghiêm : Kết hợp lý thuyết thực nghiệm 1.1.3 ứng dụng Phạm vi ứng dụng thủy lực học rộng rãi : nói không ngành lĩnh vực khoa học, kỹ thuật cơng nghệ đời sống có liên quan đến chất lỏng chất khí giao thơng vận tải, hàng khơng, khí, cơng nghệ hóa chất, xây dựng, nông nghiệp, thủy lợi mà lại không ứng dụng nhiều định luật thủy lực học 1.2 Sơ LƯỢC LỊCH s PHÁT TRIỂN MƠN HỌC Ngay từ thời xa xua, tổ tiên lồi người biết lọi dụng sức nước phục vụ cho sinh hoạt đời sống, làm nông nghiệp, thủy lợi, kênh đập, thuyền bè Nhà bác học Acsimet (287-212, trước công nguyên) phát minh lực đẩyAcsĩmet tác dụng lên vật nhúng chìm lịng chất lỏng Nhà danh họa Ý - Lêôna Đơvanhxi (1452-1519) đưa khái niệm lực cản chất lỏng lên vật chuyển động Ơng muốn biết chim lại bay Nhưng phải 400 năm sau, Jucopxki Kutta giải thích : lực nâng 1687 - Nhà bác học thiên tài người Anh I.Nevvton đưa giả thuyết lực ma sát lớp chất lổng chuyển động mà kỷ sau nhà bác học Nga Pêtrôp chứng minh giả thuyết biểu thức tốn học, làm sở cho việc nghiên cứu chất lỏng lực (chất lỏng nhót) sau Hai ơng L.ơle (1707-1783) D.Becnuli (1700-1782) người đặt sở lý thuyết cho thủy khí động lực, tách khỏi học lý thuyết để thành lập ngành riêng Tên tuổi Navie Stôc gắn liền với nghiên cứu chất lỏng thực Hai ơng tìm phương trình vi phân chuyển động chất lỏng (1821-1845) Nhà bác học Đức - L.Prandtl sáng lập lý thuyết lớp biên (1904), góp phần giải nhiều tốn động lực học Ngày nay, ngành thủy khí động lực học phát triển với tốc độ vũ bão, thu hút tập trung nghiên cứu nhiều nhà khoa học tiếng giới nước; can thiệp hầu hết tới tất lĩnh vực đòi sống, kinh tế, quốc phòng nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách khoa học công nghệ đại bước sang Thế kỷ 21 1.3 MỘT SỐ TÍNH CHẤT Cơ LÝ CỦA CHẤT LỎNG 1.3.1 Một SỐtính chất dễ nhận biết Tính liên tục : vật chất phân bố liên tục khơng gian Tính dễ d! động : lực liên kết phần tử chất lỏng yếu, ứng suất tiếp (nội ma sất) chất lỏng khác có chuyển động tương đối lớp chất lỏng Tính chống kéo cắt lực liên kết lực ma sát phần tử chất lỏng yếụ Tính dính ướt theo thành bình chứa chất lỏng 1.3.2 Khối lượng riêng trọng lượng riêng Khối lượng riêng : khối lượng đơn vị thể tích chất lổng, ký hiệu p : , , , (kg/m } M e= w : M - lchối lượng chất lỏng (k g ); w - thể tích chất lỏng có khối lượng M (m3) Trọng lượng riêng : trọng lượng đơn vị thể tích chất lỏng, ký hiộù Y : (N /m ;kG/m3) Y = ■“ Quan hệ p Y : Y = pg ; g = 9,81 m /s2 Bảng 1-1 Trọng lượng riêng số chất lỏng Trọng lượng riêng, N/m Tên chất lỏng Nhiệt độ Nước cất 9810 Nước biển 10000 - 10100 7750 -8 15 Xăng máy bay 6380 15 Xăng thường 6870 -7 15 Dầu nhèm 8730 - 9030 15 Điezel 8730 - 9220 15 132890 20 7750 - 7850 15 Dầu hoả Thủy ngân Cổn nguyên chất Lưu ý : Khối lượng chất lỏng đại lượng khồng thay đổi cịn trọng lượng chúng phụ thuộc vào vị trí 1.3.3 Tính nén ép tính giãn nở nhiệt Tính nén ép : biểu thị hệ số nén ép (pp) Hệ số nén ép lằ số giảm thể tích tương đối chất lỏng áp suất tăng lên đơn vị : dW Pp = - : w dp (m2 /N ) w - thể tích ban đầu chất lỏng (m3) ; dW - số giảm thể tích áp suất tăng lên (m3) ; dp - lượng áp suất tăng lên (N /m 2) Ví dụ hệ số ßp nước nhiệt độ 0°c đến 20° c có trị số trung bình - — m2 /N ; nhiêt đô 0 °c , áp suất 500 at l - - m2 /N 210000000 F 250000000 Tính giãn nở nhiệt : Biểu thị hệ số giãn nị nhiệt ßt , số thể tích tương đối chất lỏng tăng lên nhiệt độ tăng lên độ: ß t= — ■ — w dt (1/đơ) Ví dụ: Trong điều kiện thơng thường: Dầu hỏa có ßt = 0,000600 - 0,00800 ; Thủy ngân có ßt = 0,00018 Lưu ý : Hệ số giãn nở nhiệt lớn nhiều so với hệ số nén ép, song chúng đểu trị số nhỏ mà số tính tốn thơng thường bỏ qua 1.3.4 Tính nhớt Trong q trình chuyển động, lóp chất lỏng trượt lên nhau, phát sinh lực ma sát trong, gây tổn thất lượng chất lỏng gọi chất lỏng có tính nhớt Năm 1687 I.Newton dựa thí nghiệm : có hai phẳng I - chuyển động vội vận tốc V nhờ lực kéo F có diện tích s phẳng II - đứng yên (H 1-1) Giữa hai có lớp chất lỏng h Ơng đưa giả thiết lực ma sát lóp chất lỏng lân cận chuyển động tỷ lệ thuận với tốc diện tích bề mặt tiếp xúc, phụ thuộc vào loại chất lỏng khơng phụ thuộc vào áp suất Sau Pêtrơp (1836-1920) biểu thị giả thuyết trường hợp chuyển động thẳng biểu thức toán học : F= (N) (1-1) dy : F - lực ma sát ; |A - hệ số nhớt động lực, đặc trưng tính nhớt chất lỏng dv ; s - diên tích tiếp xúc hai lớp chất lỏng ; — - gradien vân tốc theo dy phương y vuông góc với dịng chảy Lực ma sát sinh ứng suất tiếp T : x= F s dv dy (N /m 2) ( 1- 2) Từ (1-2) rút công thức xác định hệ số nhớt động lực Ị! : n =-^ s dy (N S/m 2) Ngồi jLí , cịn dùng hệ số nhớt động (v) (1-3) biểu thức có liên quan đến chuyển động: v=— p (m2 /s) (Stôc : lst = 1CT4 m2 /s ) (1-4) hệ số p V thay đổi theo nhiệt độ áp suất Nhìn chung p V chất lỏng giảm nhiệt độ tăng tăng áp suất tăng Ví dụ : hệ số nhớt động lực nước nhiệt độ ° c , p = 0,0179 0 °c, p = 0,0028 ; dầu nhờn nhiệt độ ° c , p = 6,40 ; ° c , |LI = 0,22 hệ số nhớt động dầu nhờn tăng gấp áp suất tăng từ đến 300 at Để đo độ nhớt chất lỏng, người ta dùng loại dụng cụ khác Dưói giới thiệu loại dụng cụ đo độ nhớt Engơle thường dùng Việt Nam (H 1-2) để đo độ nhớt lớn độ nhớt nước Máy gồm có bình hình trụ kim loại 1, có đáy hình cầu, hàn vào đáy’ ống hình trụ thau Ông hình trụ đặt bình chứa nước Trong lỗ ống hình trụ 3, đặt ống bạch kim hình nón để xả chất lỏng khỏi bình lỗ Lỗ ống đóng đặc biệt có đường kính mm Muốn xác định độ nhổt chất lỏng nhiệt độ đó, ta rót 200 cm3 chất lỏng cần đo vào bình giữ nhiệt độ cần thiết Đo thời gian chảy tj 200 cm chất lỏng đo qua lỗ đáy Sau đo thời gian chảy t2 200 cm3 nước cất nhiệt độ °c (khoảng Hình 1-2 50 giây) Tỷ số tj / t gọi độ nhớt Engơle (ký hiệu ° E ) ^ E —— — h (1-5) Ngồi đơn vị Stơc độ nhớt Engơle, thường gặp đơn vị đo độ nhớt khác nhau,quan hệ chúng với đơn vị Stơc trình bày bảng 1-2 Bảng 1-2 Tên đơn vị Ký hiệu Trị số tính Stơc Độ Engơle °E Giây Sebon "S Giây Redút "R Độ Bache °B 0,0731°E ° ’-631 °E 0,00220"s - — "S 0,00260"R - "R 48,5 °B 1.3.5 Chất lỏng thực, chất lỏng lý tưởng Trong thực tế, chất lỏng có đầy đủ tính chất lý trình bày -ở gọi chất lỏng thực Nhưng để thuận tiện cho công việc nghiên cứu, người ta đưa khái niệm chất lỏng lý tưởng (hay cịn gọi chất lỏng khơng nhớt) Chất lỏng lý tưởng chất lỏng có tính di động tuyệt đối, hồn tồn khơng chống lực cắt lực kéo, hồn tồn khơng nén ép, khơng giãn nở khơng có tính nhớt Chất lỏng trạng thái tĩnh điều kiện thay đổi áp suất nhiệt độ bình thường, thể tích khối lượng xem khơng đổi khơng có chuyển động nên khơng có lực ma sát (khơng có tính nhớt) Như vậy, chất lỏng thực trạng thái tĩnh gần với chất lỏng lý tưởng Do đó, nghiên cứu quy luật chất lỏng thực trạng thái tĩnh chất lỏng lý tưởng kết thu hoàn toàn phù hợp với thực tế Trong trường hợp chất lỏng thực trạng thái chuyển động có tính nhớt nên có lực ma sát trong, có tiêu hao lượng Do đó, dùng khái niệm chất lỏng lý tưởng để nghiên cứu kết không với thực tế Người ta phải dùng thực nghiệm, tiến hành thí nghiệm chất lỏng thực So sánh kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm để rút hệ số hiệu chỉnh đưa vào công thức lý thuyết cho phù hợp với thực tế PHỤ LỤC Trị số hệ số c theo công thức Manning C = I r 1/6 n N n 0,010 0,013 0,014 0,017 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,05 60,7 46,7 43,4 35,70 30,4 24,3 20,2 17,3 15,2 0,06 62,6 48,1 44,7 36,8 31,3 25,0 20,9 17,9 15,6 0,07 64,2 49,4 45,9 37,8 32,1 25,7 21,4 18,3 16,0 0,08 65,6 50,5 46,9 38,6 32,8 26,3 21,9 18,8 16,4 0,10 68,1 52,4 48,7 40,1 34,1 27,3 22,7 19,5 17,0 0,12 70,2 54,0 50,2 41,3 35,1 28,1 23,4 20,1 17,6 36,0 R, (m K ^ 0,14 72,1 55,4 51,5 42,4 28,8 24,0 20,6 18,0 0,16 73,7 56,7 52,6 45,3 36,8 29,5 24,5 21,1 18,4 0,18 75,1 57,8 53,7 44,2 37,6 30,1 25,0 21,5 18,8 0,20 76,5 58,8 54,6 45,0 33,2 30,6 25,5 21,8 19,1 0,22 77,7 59,8 55,5 45,7 38,8 31,1 25,9 22,2 19,4 0,24 78,8 60,6 56,3 46,4 39,4 31,5 26,3 22,5 19,7 0,26 79,9 61,5 57,1 47,0 39,9 32,0 26,6 22,8 20,0 0,28 80,9 62,2 57,8 47,6 40,4 32,4 27,0 23,1 20,2 0,30 81,8 63,0 58,4 48,1 40,9 32,7 27,3 23,4 20,4 0,35 83,9 64,6 59,9 49,4 42,0 33,6 28,0 24,0 21,0 0,40 85,8 66,0 61,3 50,5 42,9 34,3 28,6 24,5 21,4 0,45 87,5 67,3 62,5 51,5 43,8 35,0 29,2 25.0 21,9 68,5 63,6 52,4 44,5 35,6 29,7 25,5 22,3 A 50 89,1 0,55 90,5 69,6 64,6 53,3 45,3 36,2 30,2 25,9 22,6 0,60 91,8 70,6 65,6 54,0 45,9 36,7 30,6 26,2 23,0 0,65 93,1 71,6 66,5 54,7 46,5 37,2 31,0 26,6 23,3 0,70 94,2 72,5 67,3 55,4 47,1 37,7 31,4 26,9 23,6 0,80 96,4 74,1 68,8 56,8 48,2 38,5 32,1 27,5 24,1 0,90 98,3 75,6 70,2 57,8 49,1 39,3 32,8 28,1 24,6 0,00 100,0 77,0 71,4 58,8 50,0 40,0 33,3 28,6 25,0 1,10 101,0 78,2 72,6 59,8 50,8 40,6 33,9 29,0 25,4 1,20 103,1 79,3 73,6 60,6 51,5 41,2 34,4 29,5 25,8 74,6 61,5 52,2 41,8 34,8 29,8 26,1 1,30 104,5 80,4 1,50 107,0 82,3 76,4 62,9 53,5 42,8 35,7 30,6 26,8 109,3 84,1 78,0 64,3 54,6 43,7 36,4 31,2 27.3 2,00 112,3 86,3 80,2 66,0 56,1 44,9 37,4 32,1 28,1 2,50 116,5 89,6 83,2 68,5 58,3 46,6 38,8 33,3 29,1 48,0 40,0 34.3 30,0 1,70 • 3,00 120,1 92,4 85,8 70,6 60,0 3,50 123,2 ' 94,8 88,0 72,5 61,6 49,3 41,1 35,2 30,3 74,1 63,0 50,4 42,0 36,9 31,5 4,00 126,0 97,0 90,0 5,00 130,8 100,0 93,4 76,9 65,4 52,3 43,6 37,4 32,7 104,8 86,3 73,4 58,7 49,0 41,9 - 10,00 146,8 112,9 185 PHỤ LỤC Hệ số X ống trịn phụ thuộc đường kính d hệ số nhám n c tính theo cơng thức Viện sĩ N.N Pavolỏpski H ệ sô nhám n d(ram) 0,011 0,012 0,013 0,014 0,015 200 0.021 0,026 0,033 0,039 0,050 300 0,019 0,017 0,024 0,029 0,035 0,044 400 0,022 0,026 0,033 0,039 500 0,016 0,020 0,025 0,030 0,036 600 0,016 0,019 0,024 0,028 0,034 700 0,015 0,019 0,023 0,027 0,032 800 0,018 0,022 0,026 0,031 900 0,015 0,014 0,017 0,021 0,025 0,029 1.000 0,013 0,017 0,020 0,023 0,028 1.200 0,Ơ13 0,016 0,019 0,022 0,026 1.500 0,012 0,015 0,018 0,021 0,025 2.000 0,011 0,014 0,016 0,019 0,022 2.500 0,011 0,013 0,015 0,018 0,021 3.000 0,010 0,012 0,014 0,017 0,020 PHỤ LỤC Trị sô' đặc trưng lưư lượng K = ©c Vr ống dẫn nước có tiết diện trịn tính theo cơng thức đầy đủ N.N Pavolơpski c Đường kính d(m) = -¿-Ry ; y = f(n, R) R Diện tích