Cơ học thủy khí ứng dụng

TRNG I HC BCH KHOA H NI -o0o - TS LNG NGC LI C HC THY KH NG DNG H Ni, 2008 C hc thy khớ ng dng Quyn sỏch gii thiu kin thc lý thuyt c bn v c hc cht lng v cht khớ v ng dng ca nú cỏc ngnh k thut Ni dung ch yu gm tớnh cht c bn cht lng v cht khớ ,tnh hc, ng hc, ng lc hc cht lng v mt s chuyờn ng dng tớnh toỏn ng ng thu lc v khớ ng, dũng chy khe hp (bi toỏn bụi trn v lm mỏt), lc tỏc ng lờn vt ngp lũng cht lng chuyn ng, lý thuyt th nguyờn-tng t c bit cú phn gii thiu thiu c bn dũng tia v nguyờn lý c bn v mỏy thu lc Giỏo trỡnh ny cho sinh viờn chuyờn ngnh k thut tu thu vi thi lng v hc trỡnh theo ni dung ca Chng trỡnh khung ngnh K thut Tu thu c duyt nm2008 ca B Giỏo dc v o to Ngoi l giỏo trỡnh cho sinh viờn cỏc ngnh c khớ, lm li liu tham kho cho sinh viờn, k s cỏc ngnh k thut khỏc -1- C hc thy khớ ng dng MC LC Chng Mt s tớnh cht vt lý c bn ca cht lng Chng Tnh hc cht lng Chng ng hc cht lng Chng ng lc hc cht lng Chng Chuyn ng mt chiu ca cht lng khụng nộn c Chng Chuyn ng mt chiu ca cht khớ Chng Tớnh toỏn thu lc ng ng Chng Lc tỏc ng lờn vt ngp lũng cht lng chuyn ng Chng Lý thuyt th nguyờn v tng t Chng 10 Mỏy thy lc v trm Ti liu tham kho -2- trang 10 25 36 59 71 82 89 98 107 115 C hc thy khớ ng dng CHNG I MT S TNH CHT VT Lí C BN CA CHT LNG 1-1 I TNG, PHNG PHP NGHIấN CU MễN HC NG DNG I i tng: Mụn hc Thu khớ ng lc ng dng, cũn c gi l C hc cht lng ng dng hay gi mt cỏch gn ỳng l Thu lc i tng nghiờn cu ca mụn hc l cht lng Cht lng õy hiu theo ngha rng, bao gm cht lng th nc - Cht lng khụng nộn c ( Khi lng riờng khụng thay i) v cht lng th khớ Cht lng nộn c ( Khi lng riờng thay i const ) tin cho vic nghiờn cu, cng nh theo s phỏt trin ca khoa hc, ngi ta chia cht lng thnh cht lng lý tng hay l cht lng khụng nht v cht lng thc, cũn gi l cht lng nht ( nht 0) Cht lng tuõn theo quy lut v lc nht ca Niu-Tn (Isacc Newton) l cht lng Niu-Tn Cũn nhng cht lng khụng tuõn theo quy lut ny ngi ta gi l cht lng phi Niu-Tn, nh du thụ chng hn Thu khớ ng lc nghiờn cu cỏc quy lut cõn bng v chuyn ng ca cht lng Thụng thng giỏo trỡnh, ngi ta chia thnh ba phn: - Tnh hc cht lng: nghiờn c cỏc iu kin cõn bng ca cht lng trnh thỏi tnh - ng hc cht lng: nghiờn cu chuyn ng ca cht lng theo thi gian, khụng k n nguyờn nhõn gõy chuyn ng - ng lc hc cht lng: nghiờn cu chuyn ng ca cht lng v tỏc dng tng h ca nú vi vt rn C th l phi gii bi toỏn c bn sau õy: + Xỏc nh s phõn b tc, ỏp sut, lng riờng v nhit cht lng + Xỏc nh lc tỏc dng tng h gia cht lng v vt rn xung quanh nú V trớ ca mụn hc: nú l nhp ni gia nhng mụn khoa hc c bn (Toỏn, Lý ) vi nhng mụn k thut chuyờn ngnh II Phng phỏp nghiờn cu Dựng phng phỏp sau õy: Lý thuyt: S dng cụng c toỏn hc, ch yu nh toỏn gii tớch, phng trỡnh vi phõn Chỳng ta s gp li cỏc toỏn t vi phõn quen thuc nh: gradient: gradp = i divergent: divu = p p p + j +k z x y u x u y u z + + x y z -3- C hc thy khớ ng dng rotor: i rot u = x ux Toỏn t Laplas: 2 = = x + + x y z o hm ton phn: j y uy k z uz r r r r r r du u u dx u dy u dz + W ( x , y, z , t ) : = + + dt t x dt y dt z dt V s dng cỏc nh lý tng quỏt ca c hc nh nh lý bo ton lng, nng lng, nh lý bin thiờn ng lng, mụmen ng lng, ba nh lut trao i nhit (Fourier), vt cht (Fick), ng lng (Newton) Phng phỏp thc nghim: dựng mt s trng hp m khụng th gii bng lý thuyt, nh xỏc nh h s cn cc b Bn thc nghim: kt hp gia lý thuyt v thc nghim III ng dng: Thu khớ ng lc cú ng dng rt rng rói cỏc ngnh khoa hc, k thut nh giao thụng ti, hng khụng, c khớ, cụng ngh hoỏ hc, vi sinh, vt liu vỡ chỳng u cú liờn quan n cht lng: nc v khớ 1-2 S LC LCH S PHT TRIN MễN HC Thu khớ ng lc biu th s liờn h rt cht ch gia khoa hc v yờu cu thc t Nụng nghip ó ũi hi thu li phỏt trin rt sm nh kờnh o, p nc, úng thuyn, bố õy ch xin nờu mt s nh bỏc hc quen thuc m qua ú thy s phỏt trin ca mụn hc Tờn tui Acsimet (287-212, TCN) gn lin vi thu tnh-lc y Acsimet Nh danh ho í, Leonardo da Vinci, (1452-1519) a khỏi nim v lc cn ca cht lng lờn cỏc vt chuyn ng nú ễng rt mun bit ti chim li bay c Nhng phi hn 400 nm sau, Jucopxki v Kutta mi gii thớch c: ú l lc nõng Hai ụng L.Euler (1707-1783) v D.Becnuli (1700-1782) l nhng ngi ó t c s lý thuyt cho thu khớ ng lc, tỏch nú c hc lý thuyt thnh mt ngnh riờng Hai ụng u l ngi Thu S, sau c N hong Nga mi sang lm vic Vin Hn lõm Khoa hc Peteburg cho n mt Chỳng ta s cũn gp li hai ụng nhiu ln giỏo trỡnh sau ny Tờn tui ca Navie v Stục gn lin vi nghiờn cu cht lng thc Hai ụng ó tỡm phng trỡnh vi phõn chuyn ng t nm 1821 n nm 1845 Nh bỏc hc ngi c L.Prandtl ó sỏng lp lý thuyt lp biờn (1904), gúp phn gii nhiu bi toỏn ng lc hc Na cui th k ny, thu khớ ng lc phỏt trin nh v bóo vi nhiu gng mt sỏng chúi, k c nc ta -4- C hc thy khớ ng dng 1-3 MT S NH NGHA V TNH CHT C Lí CA CHT LNG I Tớnh cht chung Cht lng cú tớnh cht liờn tc, di ng, khụng chu lc ct, lc kộo, cú tớnh chng nộn cao (nh nc, du), hoc kh nng chu nộn tt( nh khụng khớ, hi) Tớnh liờn tc: vt cht c phõn b liờn tc khụng gian Tớnh d di ng biu th ch: ng sut tip (ni ma sỏt) cht lng ch khỏc cú chuyn ng tng i gia cỏc lp cht lng II Khi lng riờng v trng lng riờng Khi lng M ca cht lng c c trng bi lng ca n v th tớch w gi l lng riờng hay lng n v: (1-1) Tng t, trng lng riờng (1-2) Trng lng vt cú lng kg cú th coi bng 9,8N ; 1kG 10N = 1daN Ta cú mi liờn h: =g; g = 9,8 m/s2 T trng l t s gia trng lng riờng ca cht ú so vi trng lng riờng ca nc nhit to=4oC = (1-3) n ,4 S khỏc v tớnh cht ca mt s cht th hin trờn bng 1-1 III Tớnh nộn c: S thay i th tớch W ca cht lng tỏc dng ca ỏp sut p hoc nhit t biu th s thay i ú ta cú h s nộn c: dW p = , ( m / N) (1-4) Do ỏp sut W dp dW T = , (1 / K ) Do nhit W dT Mụ uyn n hi: E= (1-5) L kh nng chng li s bin dng ca cht lng bi tỏc ng ca ỏp sut hoc nhit -5- C hc thy khớ ng dng Bng 1: Tớnh cht vt lý ca mt s cht TT Tờn gi TLR , N/m3 KLR, r, kg/m3 1000 9810 T trng Nhit , C Nc sch Xng 0,7-0,75 16 Thu ngõn 13,55 15 St 7,8 Cn 0,8 Du madut 0,89-0,92 15 Khụng khớ 1,127.10-3 27o; 1at 1,127 11,77 Tớnh nht v gi thuyt ca Newton: Tớnh nht l thuc tớnh ca cht lng lm cn tr chuyn ng ca bn thõn cht lng Ta nghiờn cu tớnh nht da trờn thớ nghim ca Newton Cú hai tm phng : Tm di II c nh, tm trờn I cú din tớch S chuyn ng di tỏc dng ca ngoi lc F Gia tm cú lp mng cht lng h Sau ú mt thi gian no ú, tm I s chuyn ng u vi tc tng i u // vi tm II n u Hỡnh 1-1 Thớ nghim cho ta thy rng cỏc phõn t cht lng dớnh cht vo tm I s di chuyn cựng vi tc u, cũn nhng phn t dớnh cht vo tm II thỡ khụng chuyn ng Vn tc cỏc lp cht lng gia tm phng tng theo quy lut tuyn tớnh v t l vi khong cỏch tm II (Hỡnh 1-1) Newton gi thit l cht lng chuyn ng, nú chy thnh lp vụ cựng mng vi tc khỏc nhau, ú trt lờn Gia cỏc lp cht lng chuyn ng tng i vi y xut hin lc ma sỏt ú l lc ma sỏt trong, cũn gi l lc nht: T = ìS (1-6) -6- C hc thy khớ ng dng du (1-7) dn l h s ch ph thuc vo cht lng gia hai tm phng, nú c trng cho tớnh nht gi l h s nht ng lc hoc nht ng lc = ng sut tip: Trong ú du/dn l gradient tc theo phng n vuụng gúc vi dũng chy u Nhng cht lng tuõn theo (1-6) gi l cht lng Newton nh ó núi trờn T (1-6) rỳt ra: Nu ly S=1 n v, du = n v thỡ tng ng vi mt lc n v o dn h SI l N.s/m2; h CGS l poa-z: P; 1P = 10-1N.s/m2 Ngoi , cũn dựng h s nht ng hc = / (1-8) Trong cỏc biu thc cú liờn quan ti chuyn ng n v o h SI l m /s, h CGS l Stc:(St) ; 1St = 10-4m2/s =cm2/s Cỏc h s v thay i theo nhit v ỏp sut Nhỡn chung v ca cht lng gim nht tng v tng ỏp sut tng; ca cht khớ tng nhit tng v gim ỏp sut tng Bng 2: nht ng hc ca mt s cht Nhit , t,0C 20 Nc Du thy lc: IC-30, 50 PS-46 Khụng khớ Khụng khớ 100 Khụng khớ Du 20 p sut p,at 1 1 0,01 nht , St 0,0001 30 0,133 0,245 13,3 0,025 thun tin cho vic tớnh toỏn sau ny cú th chia ngoi lc tỏc dng lờn cht lng c chia thnh loi: - Lc mt l lc tỏc dng lờn cht lng t l vi din tớch mt tip xỳc (nh ỏp lc: P=p.S, lc ma sỏt: T=.S,) - Lc l lc tỏc dng lờn cht lng t l vi lng (nh trng lc:G=mg, lc quỏn tớnh: Fqt=m.a,) Cht lng thc l cht lng cú nht ( khỏc khụng) Khi gii nhng bi toỏn thy lc phc tp, cú nhiu n s ngi ta n gin húa bi toỏn Mt cỏch ú l coi cht lng cú nht thp nh cht lng khụng cú tớnh nht, gi ú l cht lng lý tng -7- C hc thy khớ ng dng * Cõu hi: Khỏi nim v lng riờng, trng lng riờng, t trng ca cht lng, cht khớ Ch s khỏc c bn v giỏ tr ca nc thng, khụng khớ, thy ngõn, st Khai nim v tớnh nộn c ca cht lng Th tớch cht lng thay i ph thuc nhng yu t no? Khỏi nim v tớnh cht ca cht lng Bn cht ca vic sinh tớnh nht Khỏi nim nht ng hc, nht ng lc hc, n v S khỏc c bn nht ca khụng khớ, nc thng, du Khỏi nim v cht lng thc, cht lng lý tng Phõn loi ngoi lc tỏc ng lờn cht lng -8- C hc thy khớ ng dng CHNG II TNH HC CHT LNG Tnh hc cht lng hay thu tnh hc nghiờn cu cỏc quy lut v cõn bng ca cht lng trng thỏi tnh Ngi ta phõn lm trng thỏi tnh: Tnh tuyt i - cht lng khụng chuyn ng so vi h to c nh gn lin vi trỏi t; Tnh hc tng i - cht lng chuyn ng so vi h to c nh, nhng gia chỳng khụng cú chuyn ng tng i Nh vy, õy cht lng thc v lý tng l mt Chng ny ch yu nghiờn cu ỏp sut v ỏp lc cht lng to nờn 2-1 P SUT THU TNH I nh ngha: p sut thu tnh l nhng ng sut gõy bi cỏc ngoi lc tỏc dng lờn cht lng trng thỏi tnh P P Hỡnh - w w th rừ khỏi nim ỏp sut thu tnh cht lng, ta xột th tớch cht lng gii hn bi din tớch (Hỡnh 2-1) Tng tng ct cht lng bng mt phng AB, cht lng phn I tỏc dng lờn phn II qua mt ct B I m gi II trng thỏi cõn bng thỡ phi thay tỏc dng I lờn II bng lc P gi l ỏp lc thu tnh tỏc dng lờn mt p sut trung bỡnh: p tb = P P p M = Lim Cũn ỏp sut ti im M: n v ca ỏp sut: N/m2 = Pa (Pascal) 1at = 9,8.104N/m2 = 104kG/m2 = 10mH2O = 10T/m2 = 1kG/cm2 1bar=105.N/m2; MPa=106 N/m2; tor= 1mmHg p sut l mt n v vộct II Hai tớnh cht ca ỏp sut thu tnh -9- C hc thy khớ ng dng = a a a .a mk k = m1 m 2 a k +1 p1 p 2 a a .a pk k n k = an a a .a qk k q1 q 2 Ngha l s t hp bng hiu gia s i lng cú th nguyờn v s th nguyờn c bn Nh vy, h n v mi biu thc (9-2) cú th vit di dng: = f(1, 2, , n-k) Mi t hp khụng th nguyờn l mt tiờu chun tng t Cú ngha l nu i lng khụng th nguyờn (vớ d h s lc cn Cx) ph thuc n i lng, m s th nguyờn c bn ca chỳng bng k, thỡ s tiờu chun tng t l = n - k Trong thu ng lc k = 3, vy nờn biu din i lng no ú qua bn thụng s Vớ d Hóy xỏc nh s ph thuục h s lc cn Cx ca cỏnh vo cỏc thụng s dũng chy Bi gii: Gi s Cx ph thuc vo cỏc i lng cú th nguyờn sau õy: lng riờng , nht , tc v chiu di ca cỏnh L Khi ú: Cx = f(,,,L) Dựng cụng thc th nguyờn cú th tỡm c mt t hp khụng th nguyờn ca cỏc i lng vt lý trờn: [Cx] = []b[]d[]c[L]n = tỡm cỏc s m b,d,c,n ta thay vo cụng thc trờn th nguyờn ca cỏc i lng vt lý: [] = [ML-3]; [] = [ML-1T-1]; [] = [LT-1]; [L] = [L] Thay cỏc giỏ tr ú vo biu thc Cx: [ML-3]b[ML-1T-1]d[LT-1]c[L]n = T ú ta cú phng trỡnh i vi th nguyờn c bn: M : b+d=0 L : -3d -d +c +n = T : -d-c=0 Xem rng mt s m, chng hn n ó bit, gii h phng trỡnh trờn ta c b = c = n; d = -n Nh vy, ta tỡm c dng ph thuc ca Cx vo i lng th nguyờn: - 102 - C hc thy khớ ng dng vl n = f (Re n ) Cx = f Ngha l Cx ph thuc vo s Rõynụl S m n cú th tỡm bng thc nghim hoc t cỏc iu kin ph thuc v sc cn ca cỏnh Vớ d 2: p dng nh lý Pi lp biu thc tớnh cụng sut N ca bm Bit N ph thuc lu lng Q, ct ỏp H v trng lng riờng Bi gii: Quan h gia cỏc i lng trờn cú th biu din qua phng trỡnh (9-2): f(,Q,H) = N Cú i lng cú th nguyờn v ch cú th nguyờn ca n v c bn, ú cú - = s hng Chn , Q, H l i lng cú th nguyờn c bn, ta cú th lp s hng : = N Q yHz x Vit di dng th nguyờn: FLT-1 = [L3T-1]x[FL-3]y[L]z T ú suy ra: x = y = z = Do ú: = N hay l N = QH .QH Qua hai vớ d trờn, cú th suy mt s bc c bn gii mt bi toỏn nh sau: + Lp biu thc ph thuc (n + 1) i lng a (9-2) Ghi th nguyờn ca chỳng + Chn k i lng c bn (thụng thng k = 3) Vit cụng thc th nguyờn ca cỏc i lng vt lý Nh vy ta cú (n + - k) s hng + S hng u tiờn cú th l tớch ca k i lng cú s m cha bit vi mt i lng khỏc cú s m ó bit (thụng thng cho s m ú bng 1) + Ly nhng i lng ó chn mc lm bin s (k i lng) v chn mt nhng bin s cũn li lp s hang tip theo Lp li tng t liờn tip cho cỏc s sau + Nh phõn tớch th nguyờn ta s cú h k phng trỡnh i s v t ú xỏc nh c s m ca mi s hng 9.3 CC TIấU CHUN TNG T nh ngha tng t: Hai hin tng gi l tng t (hay ng dng) nu da vo cỏc c trng ca hin tng ny cú th suy cỏc c trng ca hin tng bng mt phộp bin i n gin - 103 - C hc thy khớ ng dng iu kin tng t c bn ca hai hin tng l cỏc tiờu chun tng t phi bng (idem) Nu ký hiu n cho nguyờn mu: m cho mụ hỡnh, thỡ Ren = Rem, Mn = Mm, v.v I Tng t hỡnh hc Hai h thng thu khớ ng lc c gi l tng t hỡnh hc l cỏc kớch thc tng ng ca chỳng t l vi S Dn L n = = k L ; n = k 2L ; Dm L m Sm Trong ú kL - t l tng t hỡnh hc Hỡnh 9-2 II Tng t ng hc: Hai h thng thu khớ ng lc c gi l tng t ng hc phi tng t hỡnh hc v cú thi gian di chuyn ca mt phn t cht lng t im ny sang im khỏc trờn cỏc ng dũng tng ng t l: Ta cú: Tn = kT Tm kT - T l tng t thi gian T ú t ng hc ỏp dng cỏc mỏy thu khớ l cỏc tam giỏc tc ng dng III Tng t ng lc hc Hai h thng thu khớ ng lc tng t ng lc hc v cú cỏc lng tng ng t l gi l tng t ng lc hc kp = T l cỏc lc: n - t l tng t ng lc m k p k 4L Fn n L3n L n Tn2 = = Fm m L3m L m Tm2 kT Tiờu chun tng t Niutn (Newton) hay s Niutn Nh vy thc t, hai h thng thu khớ ng lc tng t phi tho cỏc iu kin sau: - 104 - C hc thy khớ ng dng Hỡnh 9-3 + Chỳng phi tng t hỡnh hc + Cú tớnh cht ging v cú cựng phng trỡnh vi phõn + Ch cú th so sỏnh vi gia cỏc i lng ng cht ti nhng to khụng gian ging v thi gian ging + Cỏc hng s tng t ca hai hin tng cú mi liờn quan cht ch vi Vic chn bt k mt nhng i lng no ú s to nờn s ph thuc xỏc nh i vi nhng i lng hng s tng t cũn li IV Tng t ca hai chuyn ng phng lm sỏng t nhng iu ó nờu trờn, ta hóy tỡm cỏc iu kin cn thit cho hai chuyn ng phng tng t Mun vy, ta vit phng trỡnh chuyn ng NavieStc (4-5) cho trng hp chuyn ng phng di dng khụng th nguyờn bng cỏch chn cỏc i lng c trng (t l) sau õy: chiu di l (nh bi kớnh ng, cung ca cỏnh ) Vn tc v0(nh tc trờn trc ng, vụ cựng ) ỏp sut p0, lng riờng 0, nht ng hc 0, thi gian t0, lc vit cho mt n v lng, g gia tc trng trng Ký hiu cỏc i lng khụng th nguyờn cng bng nhng ch nh cỏc i lng cú th nguyờn: p p o u u gl l u x + (u x x + u y x ) = X + u ũy ; y x v t t v x v l v0 u y u y p p gl l u y + (u x + uy + u y ; )= Y 02 x y v t t v y v l v0 u x u y + =0 x y T h phng trỡnh trờn suy nu hai dũng chy tng t, cú ngha l chỳng c mụ t bng nhng phng trỡnh v cỏc iu kin biờn ging nhau, thỡ cỏc h s ca phng trỡnh ging v phi cú cựng giỏ tr cỏc i lng khụng th nguyờn sau õy: l gl p ; ; ; v t v 02 v 02 v l - 105 - C hc thy khớ ng dng Trong lý thuyt tng t, nhng i lng ú cú tờn riờng v gi l nhng s hay l tiờu chun tng t: + l = Sh - s Struhan (Shtrouhal), c trng cho quỏ trỡnh khụng v0t dng + v0 + v0l = Re + p0 = Eu - s le (L.Euler) c trng cho ỏp lc 0 gl = Fr - s Frỳt (Froud), c trng cho lc trng trng - s Rõynụn (Reynolds) quen thuc, c trng cho lc nht iu kin bng ca cỏc s tng t c kýy hiu bng ch idem (l mt), ngha l hai dũng phng ca cht lng khụng nộn c s tng t khi: Sh = idem; Fr = idem; Eu = idem; Re = idem; S le i vi cht lng nộn c cú dng p0 l a2 1 = = Eu = 02 k v 02 k M Trong ú a = k Cp v p - tc õm; k = - ch s on nhit; M = - s Mc Cv a Nh vy, hai dũng cht lng nộn c s tng t Sh = idem, Fr = idem, Re = idem, M = idem, k = idem Trong thc t cũn rt nhiu nhng tiờu chun tng t khỏc na Mun cú nhng tiờu chun ú ch cn ly phng trỡnh vi phõn mụ t cỏ quỏ trỡnh ó cho vit di dng khụng th nguyờn Chng hn nh kho sỏt phng trỡnh nng lng ta s cú thờm cỏc tiờu chun tng t: + Pr = Cp - S Prandl, c trng cho t s gia nhit lng c truyn bng dn nhit v i lu + Gr = g l T - S Grashpm c trng cho t s gia lc Acsimet v lc nht Trong ú - h s dn nhit; - h s n th tớch; T - chờnh lch nhit 9.4 Mễ HèNH HO TNG PHN Khi kho sỏt bi toỏn phng mc trờn ta ó gp 4-5 tiờu chun tng t Nu tho tt c cỏc tiờu chun ú thỡ bi toỏn rt khú v thc t khụng th thc hin c Ngoi ra, khụng phi tt c cỏc tiờu chun cú tm quan trng nh Trong nhng iu kin c th thng cú th xỏc nh c mc nh hng ca tng - 106 - C hc thy khớ ng dng tiờu chun tng t, v lỳc ú cú nhng tiờu chun nh hng rt ln n vic thay i iu kin ca quỏ trỡnh vt lý - gi l tiờu chun quyt nh, ú cú nhng tiờu chun hu nh khụng tham gia vo s bin i ú - nhng tiờu chun khụng quyt nh Do ú thc t phi dựng mụ hỡnh hoỏ tng phn, ngha l ch cn tuõn theo mt s tiờu chun quyt nh Chng hn nh tỡm iu kin mụ hỡnh hoỏ ca chuyn ng tu ngm, ta thy cú th b qua tiờu chun Frỳt, m phi k n tiờu chun Rõynụl, ngha l s Re i vi nguyờn mu v mụ hỡnh phi nh Thc vy, i vi tu ngm s Fr ch cú ý ngha tu i xung v i lờn mt nc, cũn chy, s Fr cú th b qua Lc cn chy ph thuc vo nht ca dũng bao quanh khụng cú xõm thc Nhng thớ nghim mụ hỡnh ca nụ chuyn ng vi tc ln, tiờu chun Fr cú nh hng ln, cũn cú th b qua lc nht, ngha l khụng tho tiờu chun Re iu kin mụ hỡnh hoỏ ca nhng mỏy múc chuyn ng trờn õm, trc tiờn l phi tho tiờu chun Mc (M), cũn s Re tu kh nng, s Fr b qua õy khụng phi l mụ hỡnh hoỏ ton b m ch l tng phn Thnh thong lm mi thnh cụng tho c hai tiờu chun Fr v Re Vớ d 3: Mun cú tng t ng lc hc thỡ tc chuyn ng ca du thụ ng cú ng kớnh 30mm phi bng bao nhiờu, tc ca nc ng cú ng kớnh 5mm nhit 200C l 6m/s Cho du = 84 kGs2/m4; du = 0,2 P; nc = 102 kGs2/m4; = 0,013 P Bi gii: iu kin cho hai dũng cht lng chuyn ng ng trũn tng t l s Re = p v v s le Eu = 02 bng Nhng theo iu kin ca bi toỏn, vỡ tc v ca nc cho bit nờn tiờu chun tng t ch l s Re, cũn s Eu l hm ca s Re Hay núi mt cỏch khỏc, vỡ i lng c trng ca ỏp sut p0 khụng cho trc nờn cú th chn p0 bng giỏ tr bt kỡ cho tin, ta chon p0 = v2 t iu kin s le Eu = p0 =1 v Do ú ta suy ra: Re1 = Redu = Renc = Re2 v1d p1 v d p = Suy ra: v1 = v d p = 24,2 d p Vy, tc ca du v1 = 24,2 m/s - 107 - C hc thy khớ ng dng * Cõu hi: Cụng thc tng quỏt th nguyờn Phng phỏp tớnh th nguyờn nh ngha v tng t Cỏc dng tng t ca hai hin tng thy khớ ng lc hc Cỏc tiờu chun tng t Phng phỏp mụ hỡnh húa tng phn - 108 - C hc thy khớ ng dng CHNG XI MY THU LC V TRM 11-1 KHI NIM CHUNG V MY THU LC Mỏy thu lc l thit b dựng trao i nng lng vi cht lng i qua nú theo cỏc nguyờn lý thu lc hc núi riờng v c hc cht lng núi chung Vớ d: bm, dựng c nng ca ng c chuyn cht lng; tuabin nhn nng lng ca dũng nc bin thnh c nng kộo cỏc mỏy lm vicNgy mỏy thu lc c dựng ph bin nhiu lnh vc sn xut cng nh sinh hot Cú th núi hu nh khụng mt ngnh k thut no khụng s dng mỏy thu lc Vi nột v lch s mỏy thu lc Mỏy thu lc thụ s ó cú t thi c xa Gung nc l loi mỏy thu lc u tiờn, li dng nng lng dũng nc trờn cỏc sụng sui kộo cỏc ci xay lng thc hoc a nc vo kờnh ti rung, c dựng Trung Quc, n khong 3000 nm trc õy Trc th k 17, núi chung cỏc mỏy cỏc mỏy thu lc rt thụ s v ớt loi (ch yu l cỏc loi gung nc v dng c n gin chuyn nc t thp lờn cao) Mói n th k 18 v sau ny mi cú nhiu nh bỏc hc nghiờn cu mt cỏch khoa hc v hỡnh dng v kt cu cu mỏy thu lc v t ú v sau mi xut hin nhiu loa phong phỳ Nm 1640 nh vt lý hc ngi c Otto-Herich ó sỏng ch bm pittong u tiờn bm khớ v nc dựng cụng nghip Nh bỏc hc nga Lụmụnụsop (1711-1765) l ngi u tiờn dựng lý lun c hc cht lng ci to kt cu gung nc t ngn xa, nõng cao hiu sut, cụng sut ca gung dựng sn xut cụng nghip thi by gi Trong nhng nm 1751-1754, Ole (1707-1783) ó vit v lý thuyt c bn ca tuabin nc núi riờng v cỏc mỏy thu lc cỏnh dn núi chung lm c s hn 50 nm sau, Phuụcnõyrụn (phỏp) ch to thnh cụng tuabin nc u tiờn 1831 v Xablucot (Nga) sỏng ch bm ly tõm u tiờn Cựng vi s ụỡ ca mỏy hi nc cui th k 18 s phỏt minh tuabin nc v bm lytõm u th k 19 l nhng bc nhy ln lch s cỏc mỏy nng lng V sau nhiu nh khoa hc ln Giucừpki (1847-1921), Traplghin (1869-1942), Prụtskuaó sỏng to lý thuyt v dũng chy bao quanh h thng cỏnh dn, hon chnh lý thuyt v mỏy thu lc cỏnh dn c bit 50 nm gn õy lý thuyt v thu khớ ng lc phỏt trin rt mnh cú nhiu thnh tu to ln v vic ỏp dng nhng thnh qu phỏt minh ny lnh vc mỏy thu lc vụ cựng phong phỳ Ngy mỏy thu lc cú nhiu loi vi nhiu kiu khỏc c dựng mi lnh vc cụng nghip ỏp ng yờu cu nng lng ngy cng ln ca cụng nghip hin i ngi ta ó ch to c cỏc tuabin nc c ln cú cụng sut ti - 109 - C hc thy khớ ng dng 500.000 KW hoc ln hn.Vic ng dng truyn ng thu lc ngy cng nhiu ngnh ch to mỏy gúp phn nng cao cỏc ch tiờu k thut, kinh t ca mỏy múc v nht l ỏp ng mt phn yờu cu t ng hoỏ ngy cng cao k thut nc ta, t lõu i nhõn dõn lao ng ó bit dựng ncci gió go, dựng sc nc phc v sn xut nụng nghip, nhng di ỏch thng tr ca phong kin quc, khoa hc k tht nc ta b kỡm hóm rt nhiu T cỏch mng thỏng n khoa hc k thut nc ta phỏt trin mnh m.Vic ch to v vic s dng mỏy múc ngy cng nhiu cỏc lnh vc phc v sn xut, chin u v sinh hot, ú cú nhiu loi mỏy thu lc Hin nc ta ó cú nhiu nh mỏy sn xut cỏc loi mỏy thu lc thụng dng nh cỏc loi bm, tuabin nc bc u phc v cụng cuc thu li hoỏ, c khớ hoỏ, in khớ hoỏ ca t nc 11-2 PHN LOI MY THU LC Ta bit rng bt k mt dũng cht lng chuyn ng no cng tim nng mt nng lng nh nh; tỏc dng ca mỏy thu lc l trao i (nhn hoc cho) nng lng vi dũng cht lng chuyn ng qua ú kộo cỏc mỏy lm vic hoc chuyn cht lng Theo tớnh cht trao i nng lng vi cht lng mỏy thu lc c chia lm hai loi: Loi mỏy thu lc tip thu c nng ca dũng chy cht lng kộo cỏc mỏy lm vic khỏc cú tỏc dng nh mt ng c gi l ng c thu lc (nh tuabin nc, cỏc loi ng c thu lc mỏy cụng c) Ngc li, loi mỏy thu lc dựng cho c nng chỏt lng, to nờn ỏp sut hoc chuyn cht lng c gi l bm (nh cỏc loi bm, qut) Trong k thut cú nhng mỏy thu lc thỡ lm vic nh mt ng c, thỡ lm vic nh mt bm gi l mỏy thu lc thun nghch Theo nguyờn lý tỏc dng ca mỏy thu lc vi dũng cht lng quỏ trỡnh lm vic, ngi ta chia mỏy thu lc thnh nhiu loi khỏc nhau, nhng ch yu cú hai loi: - Mỏy thu lc cỏnh dn - Mỏy thu lc th tớch Trong mỏy thu lc cỏnh dn, vic trao i nng lng gia mỏy vi cht lng c thc hin bng nng lng thu ng ca dũng cht lng chuyn ng qua mỏy Dũng chy qua mỏy thu lc cỏnh dn l dũng liờn tc.Trờn bỏnh cụng tỏc cú gn nhiu bn cỏnh dn dũng chy gi l cỏnh dn Biờn dng v gúc b trớ ca cỏnh dn nh hng trc tip n cỏc thnh phn tc ca dũng chy nờn cú ý ngha rt quan trng vic trao i nng lng ca mỏy vi dũng chy Cú th núi mỏy thu lc cỏnh dn dựng cỏc cỏnh dn trao i nng lng vi cht lng - 110 - C hc thy khớ ng dng Núi chung nng lng ca dũng cht lng trao i vi mỏy thu lc cỏnh dn gm cú hai thnh phn: ng nng ( v2 P ) l ch yu v ỏp nng ( ) Hai thnh phn nng 2g lng ny nng lng thu ng ca dũng chy qua mỏy to nờn, cú liờn quan mt thit vi nhau.Trong quỏ trỡnh lm vic ca mỏy, s bin i ng nng bao gi cng kộo theo s bin i ỏp nng Mỏy thu lc cỏnh dn cú tớnh nng k thut cao, ch tiờu kinh t tt v phm vi s dng rng rói nờn c dựng rt ph bin Mỏy thu lc th tớch thc hin trao i nng lng vi cht lng theo nguyờn lý nộn cht lng mt th tớch kớn di ỏp sut tnh Nh vy nng lng trao i ca mỏy thu lc th tớch vi cht lng cú thnh p phn ch yu l ỏp nng ( ) cũn thnh phn ng nng(ca cỏc phn t cht lng chuyn ng qua mỏy ) khụng ỏng k nờn cú cũn gi mỏy thu lc th tớch l mỏy thu lc thu tnh Loi mỏy thu lc th tớch cú nhiu u im phm vi s dng cn cú ỏp sut cao v lu lng nh c dựng nhiu ngnh ch to mỏy Ngoi cũn cú cỏc loi mỏy thu lc khỏc khụng thuc hai loi mỏy trờn lm vic theo nhng nguyờn lý khỏc nh bm phun tia, bm nc vaPhn ln cỏc loi mỏy thu lc ny cú nng sut v tớnh nng k thut thp so vi mỏy thu lc cỏnh dn v th tớch, ú phm vi s dng ca chỳng cụng nghip b hn ch Trong k thut hin i, cỏc ngnh ch to mỏy v t ng hoỏ s dng nhiu truyn ng thu lc Truyn ng thu lc l t hp cỏc c cu thu lc (gm c mỏy thu lc) truyn c nng t b phn dn ng n cỏc b phn cụng tỏc, ú cú th bin i tc, lc, momen v bin i dng hay quy lut chuyn ng Bng 10-1 Theo v2/2g Cho NL Theo ngha TRAO I Loi khỏc NNG LNG chớnh p/g -Bm, qut, mỏy thi ly tõm -Bm xoỏy t -Bm, qut hng trc -Bm, mỏy nộn khớ pớtton -Bm thu lc roto -Bm mng -Bm trc vớt -Tuabin ly tõm, TB hng -xylanh thu lc tnh tin trc -ng c thu lc quay -Tua bin khớ Cho v nhn -Truyn ng thu ng -Truyn ng thu tnh Nhn NL -Bm nc va, bm tia, thu luõn Theo nguyờn lý lm vic, truyn ng thu lc c chia lm hai loi: - 111 - C hc thy khớ ng dng - Truyn ng thu ng, - Truyn ng thu tnh Trong truyn ng thu ng vic truyn c nng gia cỏc b phn mỏy ch yu c thc hin bng ng nng ca dũng cht lng Truyn ng thu ng cú hai loi: khp ni thu lc v bin tc thu lc, thng c dựng nhiu ngnh c khớ ng lc v ti Cũn truyn ng thu tnh vic truyn c nng gia cỏc b phn mỏy ch yu c thc hin bng ỏp nng ca dũng cht lng, thng dựng cho cỏc mỏy thu lc th tớch nờn cũn gi truyn ng thu tnh l truyn ng thu lc th tớch.Truyn ng thu tnh cú rt nhiu dng khỏc c dựng ph bin cỏc ngnh ch to mỏy v cỏc h thng iu khin t ng hỡnh dung tng quỏt s phõn loi cỏc mỏy thu lc hóy xem bng 11-1 phõn loi cỏc mỏy thu lc kốm theo ú cú ghi cỏc mỏy thu lc v truyn ng thu lc 11-3 CC THễNG S C BN MY THU LC I Ct ỏp Ct ỏp thc t ca mỏy thu lc l chờnh ct ỏp (hay chờnh nng lng n v) trc vo mỏy v sau mỏy: (10-1) i vi bm: Hb = Hr- Hv = er- ev , i vi tua bin: Ht =Hv- Hr = ev - er (10-1) Ct ỏp lý thuyt: Hlt = H/H (10-2) H hiu sut thu lc ca mỏy, c trng cho tn tht xoỏy v masat mỏy II Lu lng Lu lng thc qua ng y Q < Qlt vỡ mt phn nh Q chy tr v li vo bỏnh cụng tỏc hoc rũ r ngoi ỏnh giỏ tn tht lu lng, ngi ta a vo h s lu lng: Q = Q Q lt (10-3) Tronng ú, Qlt lu lng lý thuyt hay l lu lng tớnh toỏn ca mỏy Q < v ph thuc vo cht lng ca b phn lút kớn (Q=0,95ữ0,98) III Cụng sut: L nng lng cht lng trao i vi mỏy mt n v thi gian Cụng sut thu lc l cụng sut cú ớch ca bm hay l cụng sut vo ca tua bin: N tl = QH (kW) , 1000 - 112 - (10-4) C hc thy khớ ng dng vi: (N/m3), Q(m3/s), H(mH2O) Cụng sut trờn trc bm hay l cụng sut vo ca bm hay l cụng sut ca tua bin: Nt= M, (10-5) IV Hiu sut: ỏnh giỏ tn tht nng lng quỏ trỡnh mỏy trao i nng lng vi cht lng: b = N tl N t tb = Nt N tl (10-6) Cú ba loi tn tht nờn cú ba loi hiu sut: ct ỏp, c khớ v lu lng: = HCQ (10-7) Trong ú C-l hiu sut c khớ c trng cho cỏc tn tht ma sỏt c khớ a bỏnh cụng tỏc, cỏc vũng lm kớn Cụng sut ng c kộo bm: Nc > N Bn thụng s ca bm va nờu cú liờn quan mt thit vi nhau, v k thut mi liờn quan ú c biu din bng th, gi l ng c tớnh m ta s xem cỏc ti liu tham kho V cao hỳt cho phộp Vit phng trỡnh Becnuli cho - v v - v (hỡnh 10 -1): v2 p p1 = h s + v + v v + h wd 2g a) h scp = [h s ] = p1 p v v v 2v h wd 2g (10-8) p1 p v = h ck - ct ỏp hỳt ca bm h s = h s max = p1 Suy ra, nu p1 = pa thỡ hsmax= 10m ct nc b) Khi bit hck thỡ tớnh [hs] theo iu kin khụng xy xõm thc: (do bc hi ca cht lng gõy nờn) iu kin trỏnh xõm thc: p v v v 2v p bh + + h 2g pbh - ỏp sut bóo ho (l ỏp sut m ti ú cht lng s sụi mt nhit nht nh); h - ct ỏp chng xõm thc Mt khỏc, theo (10-3) - 113 - C hc thy khớ ng dng p v v v 2v p s + = h s h wd 2g p p [h s ] s ( bh + h + h wh ) Theo Rỳt nhộp: h 10( n Q 43 ) C n(vũng/ph) Q(m3/s) C = 800 ữ 1000 11- TRM MY THU LC S b trớ trm mỏy thu lc, vớ d tram bm nh H.10-1 - Cỏch tớnh ct ỏp thc t Bm bao gi cng lm vic h thng ng ng H b = e r e v = (z r z v ) + p r p v v 2r v 2v + 2g zr zv = z pr = pa + pd p v = p a p ck Suy Hb = z + p d + p ck v 2r v 2v + 2g Nu ng hỳt bng ng y v r = v v ; nu z b qua H b = p d + p ck Khi khụng cú cỏc s liu o dc ca bm ang lm vic (pd,pck, ) m ch cú cỏc s liu yờu cu ca h thng ú bm s lm vic (p1, p2, h ), thỡ cú th tớnh Hb nh sau: Vit phng trỡnh Bộc-nu-li cho 1-1 v v -v: e1 = ev + hwh ev=e1 - hwh Cho r - r v - 2: er = e2 + hw H b = e r e v = e e1 + h wd + h wh Vỡ e2 e2 = H2 : h +h = h wh wd w Hb = H2 + hw - 114 - (10-9) C hc thy khớ ng dng Nh vy ct ỏp yờu cu ca bm Hb khc phc: dõng cao H2 ( chờnh mt thoỏng) v tn tht nng lng ng hỳt v ng y Cú th vit: Hb = Ht + H Kt cu cỏnh dn cú nh hng quyt nh n ct ỏp bm H (xem 2[6]) Hỡnh 10-1: B trớ trm bm * Cõu hi: Khỏi nim v mỏy thy lc v phõn loi Cỏc cụng thc tớnh cỏc thụng s c bn ca bm Cỏch xỏc nh ct ỏp bm theo trm - 115 - C hc thy khớ ng dng TI LIU THAM KHO Trần Sỹ Phiệt, Vũ Duy Quang Thuỷ khí động lực học kỹ thuật Tập 1,2 NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp-1979 Nguyễn Hữu Chí Cơ học chất lỏng ứng dụng Tập 1,2 NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp-1973 Nguyễn Hữu Chí, Nguyễn Hữu Dy, Phùng Văn Khơng Bài tập học chất lỏng ứng dụng Tập 1,2 NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp-1979 Nguyễn Hữu Chí, Một nghìn tập Thuỷ khí động lực học ứng 1,2 NXB Giáo dục-1998 Vũ Duy Quang Thuỷ khí động lực học ứng dụng NXB Xây dựng, Hà Nội2006 , , . , - 1976 . , . 1972 - 116 - dụng Tập ... 115 Cơ học thủy khí ứng dụng CHƯƠNG I MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG ♣ 1-1 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔN HỌC ỨNG DỤNG I Đối tượng: Môn học Thuỷ khí động lực ứng dụng, gọi Cơ. . .Cơ học thủy khí ứng dụng Quyển sách giới thiệu kiến thức lý thuyết học chất lỏng chất khí ứng dụng ngành kỹ thuật Nội dung chủ yếu gồm tính chất chất lỏng chất khí ,tĩnh học, động học, động... ngành kỹ thuật khác -1- Cơ học thủy khí ứng dụng MỤC LỤC Chương Một số tính chất vật lý chất lỏng Chương Tĩnh học chất lỏng Chương Động học chất lỏng Chương Động lực học chất lỏng Chương Chuyển