Bài giảng kỹ thuật thuỷ khí

UBND TỈNH QUẢNG BÌNH TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ  BÀI GIẢNG MÔN HỌC Kỹ Thuật Thủy Khí Ngƣời biên soạn : Phạm Nam Giang Bộ môn : Kỹ Thuật Nghành đào tào : Đại học Kỹ Thuật Điện Số tiết : 30 tiết Quảng Bình, tháng 12 năm 2014 NỘI DUNG LỊCH SỬ MÔN HỌC CHƢƠNG MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÍ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG 1.1 Đối tượng nhiệm vụ nghiên cứu 1.1.1 Khái niệm: 1.1.2 Phương pháp nghiên cứu: 1.1.3 Đối tượng nghiên cứu: 1.1.4 Mục đích môn học 1.2 Môt số tính chất chất lưu 1.2.1 Khối lượng riêng trọng lượng riêng 1.2.2 Tính nén giản nở 1.2.3 Tính nhớt chất lưu CHƢƠNG TĨNH HỌC CHẤT LONG 2.1 Khái niệm ứng suất 2.2 Khái niệm áp suất thủy tĩnh 2.3 Các tính chất áp suất thủy tĩnh điểm 2.4 Mối quan hệ áp suất thủy tĩnh theo độ sâu 2.5 Định luật Pascal máy ép thủy lực 2.6 Tính áp lực thủy tĩnh 10 2.6.1 Mặt phẳng 10 2.6.2 Mặt cong 12 2.7 Định luật Acsimet điều kiện cân vật 12 2.7.1 Định luật: Acsimet 12 2.7.2 Điều kiện cân vật 13 CHƢƠNG ĐỘNG HỌC CHẤT LỎNG ………………………………… 14 3.1 Các khái niệm chung 14 3.1.1 Phân loại chuyển động 14 3.1.2 Đường dòng dòng nguyên tố 14 3.1.3 Các yếu tố thủy lực dòng chảy 15 3.2 Phương trình liên tục dòng chảy 15 3.2.1 Phương trình liên tục dòng chảy nguyên tố 15 3.2.2 Phương trình liên tục toàn dòng chảy 16 3.2.3 Phương trình vi phân liên tục dòng chảy 16 3.3 Phương trình vi phân chất lỏng 16 3.3.1 Phương trình vi phân chuyển động chất lỏng lý tưởng 16 3.3.2 Phương trình vi phân chuyển động chất lỏng thực 17 3.4 Phương trình Becnuli 17 3.4.1 Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng 17 3.4.2 Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng thực 18 3.4.3 Phương trình Becnuli viết cho toàn dòng chảy thực 18 3.4.4 Áp dụng phương trình Becnuli 18 3.5 Phương trình biến thiên động lượng 19 3.5.1 Đối với dòng nguyên tố chuyển động dừng 19 3.5.2 Phương trình biến thiên động lượng toàn dòng 20 3.6 Phương trình momen động lượng 20 CHƢƠNG CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT LỎNG KHÔNG NÉN ĐƢỢC 21 4.1 Trạng thái chảy chất lỏng 21 4.1.1 Thí nghiệm Reynols 21 4.1.2 Số Reynols vận tốc phân giới 21 4.2 Tổn thất lượng dòng chảy 21 4.2.1 Tổn thất lượng dọc đường chảy tẩng 22 4.2.2 Tổn thất lượng dọc đường chảy rối 22 4.2.3 Tổn thất lượng cục 22 4.3 Dòng chảy tầng ống 23 4.3.1 Phương trình vi phân chất lỏng chuyển động 23 4.3.2 Phân bố vận tốc 23 4.4 Dòng chảy rối ống 23 CHƢƠNG CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT KHÍ 24 5.1 Các phương trình chất khí 24 5.1.1 Phương trình trạng thái 24 5.1.2 Phương trình lưu lượng 24 5.1.3 Phương trình Becnuli 24 5.1.4 Phương trình Entanpi 24 5.2 Các thông số dòng khí 25 5.2.1 Vận tốc âm 25 5.2.2 Dòng hãm dòng tới hạn 25 CHƢƠNG TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐƢỜNG ỐNG 27 6.1 Phân loại 27 6.1.1 Dựa vào tổn thất lượng 27 6.1.2 Căn vào điều kiện thủy lực cấu trúc đường ống 27 6.2 Những công thức dùng tính toán thủy lực đường ống 27 6.3 Tính toán thủy lực đường ống đơn giản 28 6.3.1 Tính H1 biết H2; Q; l; d; n (độ nhám tương đối) 28 6.3.2 Tính Q biết H1; H2; l; d; n (độ nhám tương đối) 28 6.3.3 Tính d biết H1; H2; l; Q; n (độ nhám tương đối) 28 6.3.4 Tính d, H1 biết H2; l; Q; n (độ nhám tương đối) 28 6.4 Tính toán thủy lực đường ống phức tạp 28 6.4.1 Hệ thống đường ống nối tiếp 28 6.4.1 Hệ thống đường ống song song 29 6.4.2 Hệ thống đường ống phân phối liên tục 29 6.4.3 Hệ thống đường ống phân nhánh hở 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh chất rắn, lỏng, khí Bảng 1.2 Tỉ trọng số chất Bảng 1.3 Hệ số giản nở nhiệt nước Bảng 1.4 Hệ số giản nở nhiệt nước Bảng 4.1 Hệ số vật cản số loại vật cản điển hình 23 PHỤ LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ nghiên cứu Hình 1.2 Sơ đồ nghành học chất lưu Hình 1.3 Cấu trúc phân tử chất rắn, lỏng, khí Hình 1.4 Ứng suất tiếp Hình 1.5 Mục đích môn học Hình 1.6 Biểu đồ lưu tốc theo chiều sâu Hình 1.7 Biểu đồ chất lưu Newtonian phi Newtonian Hình 1.8 Sự phụ thuộc độ nhớt nhiệt độ Hình 2.1 Hình ảnh ứng suất Hình 2.2 Các loại áp suất thủy tĩnh Hình 2.3 Áp suất phân tố chất lỏng Hình 2.4 Mối quan hệ áp suất theo độ sâu (1) Hình 2.5 Mối quan hệ áp suất theo độ sâu (2) Hình 2.6 Ứng dụng định luật Pascal Hình 2.7 Sơ đồ áp lực thủy tĩnh tác dụng lên mặt phẳng 10 Hình 2.8 Tính toán hợp lực điểm đặt hợp lực 11 Hình 2.9 Mô men quán tính số hình đặc trưng 11 Hình 2.10 Tính toán cho phẳng hình chữ nhật 11 Hình 2.11 Áp lực thủy tĩnh lên mặt cong 12 Hình 2.12 Chứng minh định luật 12 Hình 2.13 Các trường hợp vật nổi, lơ lửng,chìm 13 Hình 2.14 Điều kiện cân vật 13 Hình 3.1 Đường dòng 14 Hình 3.2 Trường vecto vận tốc 14 Hình 3.3 Hình ảnh ống dòng 15 Hình 3.4 Hình ảnh dòng chảy nguyên tố 15 Hình 3.5 Mô hình thiết lập phương trình vi phân liên tục dòng chảy 16 Hình 3.6 Thành lập phương trình vi phân chuyển động chất lỏng thực 17 Hình 3.7 Thành lập phương trình Becnuli cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng 17 Hình 3.8 Ý nghĩa hình học lượng phương trình Becnuli 18 Hình 3.9 Ống pito 18 Hình 3.10 Ống Venturi 19 Hình 3.11 Thành lập phương trình biến thiên động lượng cho dòng nguyên tố 19 Hình 3.12 Thành lập phương trình biến thiên động lượng cho toàn dòng 20 Hình 3.13 Thành lập phương trình momen động lượng 20 Hình 4.1 Thí nghiệm Reynols 21 Hình 4.2 Phân bố vận tốc, ứng suất chảy tẩng ống tròn 22 Hình 4.3 Mặt cắt ngang dòng chảy rối ống tròn 22 Hình 5.1 Thành lập phương trình Entanpi 25 Hình 5.2 Dòng hãm dòng tới hạn 26 Hình 6.1 Sơ đồ ống nối tiếp kín 28 Hình 6.2 Sơ đồ ống nối tiếp kín có rò rỉ chất lỏng chỗ nối 29 Hình 6.2 Sơ đồ đường ống mắc song song 29 Hình 6.2 Đường ống phân phối liên tục 30 Hình 6.2 Sơ đồ đường ống phân nhánh hở 30 LỊCH SỬ MÔN HỌC Sự cần thiết phải có hiểu biết kỹ thuật thủy khí bắt nguồn từ mục đích người muốn tìm kiếm nguồn cung cấp nước Ban đầu người ta nhận giếng nước phải đào có thiết bị bơm thô sơ để lấy nước Sau dân cư ngày đông lên, số hiểu biết tạo để giải vấn đề rác thải nước Từ thời cổ đại người ta nhận nước sử dụng để di chuyển vật cung cấp lượng Khi thành phố mở rộng lớn hơn, cống dẫn nước xây dựng Những cống dẫn nước có kích thước lớn hùng vĩ xây dựng thành phố Rome Trung Quốc Tuy nhiên, tất kiến thức người cổ xưa ứng dụng năng, ngoại trừ Archimedes (250 BC) phát định luật đẩy lên chất lỏng Sự phát triển nghành thực Leonardo Da Vinci (1452-1519), ông có nhiều nỗ lực nghiên cứu máy bay phát triển số khái niệm lực tương hỗ Sau hiểu biết loài người lĩnh vực thủy khí ngày tăng với đóng góp nhiều nhà khoa học Archimedes Leonardo Da Vinci (Nguồn: http://en.wikipedia.org) CHƢƠNG MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÍ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG 1.1 Đối tượng nhiệm vụ nghiên cứu 1.1.1 Khái niệm: Kỹ thuật Thủy Khí môn khoa học thuộc lĩnh vực Cơ học, nghiên cứu quy luật chuyển động đứng yên chất lỏng – chất khí trình tương tác lực lên vật thể khác 1.1.2 Phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết – Thực nghiệm:  Lý thuyết (LT): Dự báo khả làm việc;  Thực nghiệm (TN): Tính toán thực tế để kiểm tra lý thuyết Quan sát thực nghiệm Đề giả thiết Đƣa phƣơng pháp tính toán Thực nghiệm kiểm tra lại Hình 1.1 Sơ đồ nghiên cứu Kiểm tra lý thuyết 1.1.3 Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu Lưu Chất bao gồm:  Chất lỏng;  Chất khí Bảng 1.1 So sánh chất rắn, lỏng, khí Chất rắn Chất lỏng Phụ thuộc vào hình dáng bình chứa, có mặt thoáng Chất khí Chiếm toàn thể tích bình chứa, mặt thoáng Hình dạng Xác định Lực liên kết phân tử Lớn Yếu Rất yếu Ứng xử tác động lực cắt Biến dạng hữu hạn Biến dạng liên tục Biến dạng liên tục Ứng suất tỷ lệ với biến dạng Ứng suất tỷ lệ với tốc độ Ứng suất tỷ lệ với tốc độ Hình 1.2 Sơ đồ nghành học chất lưu Chất rắn Chất lỏng Chất khí Hình 1.3 Cấu trúc phân tử chất rắn, lỏng, khí Hình 1.4 Ứng suất tiếp 1.1.4 Mục đích môn học  Nghiên cứu đặc tính chất lưu;  Ứng xử chất lưu;  Diễn biến học môi trường chất lưu Hình 1.5 Mục đích môn học 1.2 Môt số tính chất chất lưu Khối lượng riêng trọng lượng riêng, nhiệt độ, áp suất, thể tích, độ nhớt.v.v… 3.3.2 Phương trình vi phân chuyển động chất lỏng thực Áp dụng nguyên lý bảo toàn động lượng xét cho phân tố dòng chất lỏng Hình 3.6 Thành lập phương trình vi phân chuyển động chất lỏng thực 3.4 Phương trình Becnuli 3.4.1 Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng Áp dụng định luật bảo toàn động Hình 3.7 Thành lập phương trình Becnuli cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng 17 3.4.2 Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng thực Hình 3.8 Ý nghĩa hình học lượng phương trình Becnuli 3.4.3 Phương trình Becnuli viết cho toàn dòng chảy thực 3.4.4 Áp dụng phương trình Becnuli  Dụng cụ đo vận tốc ống Pito - Prandtl Để đo vận tốc điểm dòng chảy ta cắm ống đo áp ống Pito hình chữ L vào dòng chảy Hình 3.9 Ống pito 18  Lưu lượng kế Venturi Áp dụng công thức Hình 3.10 Ống Venturi 3.5 Phương trình biến thiên động lượng 3.5.1 Đối với dòng nguyên tố chuyển động dừng Sự biến thiên động lượng theo gian dòng chất lỏng tổng ngoại lực tác dụng lên chúng Hình 3.11 Thành lập phương trình biến thiên động lượng cho dòng nguyên tố 19 3.5.2 Phương trình biến thiên động lượng toàn dòng Hình 3.12 Thành lập phương trình biến thiên động lượng cho toàn dòng 3.6 Phương trình momen động lượng Hình 3.13 Thành lập phương trình momen động lượng 20 CHƢƠNG CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT LỎNG KHÔNG NÉN ĐƢỢC 4.1 Trạng thái chảy chất lỏng 4.1.1 Thí nghiệm Reynols Các trạng thái chảy: Chảy rối; Chảy độ; Chảy tầng Hình 4.1 Thí nghiệm Reynols 4.1.2 Số Reynols vận tốc phân giới Re < Repgd: Thì trạng thái chảy tầng; Re > Repgt: Thì trạng thái chảy rối; Repgd < Re < Repgt: Thì trạng thái chảy tầng rối; Repgt = 12000 – 50000; Repgd = 2320 ( Re < 2320: Trạng thái chảy tầng; Re > 2320: Trạng thái chảy rối) 4.2 Tổn thất lượng dòng chảy Tổn thất dọc đường (hwd); 21 Tổn thất cục (hwc) 4.2.1 Tổn thất lượng dọc đường chảy tẩng (Trong ống tròn nằm ngang) Hình 4.2 Phân bố vận tốc, ứng suất chảy tẩng ống tròn 4.2.2 Tổn thất lượng dọc đường chảy rối Hình 4.3 Mặt cắt ngang dòng chảy rối ống tròn 4.2.3 Tổn thất lượng cục 22 Bảng 4.1 Hệ số vật cản số loại vật cản điển hình 4.3 Dòng chảy tầng ống 4.3.1 Phương trình vi phân chất lỏng chuyển động 4.3.2 Phân bố vận tốc Biểu đồ phân bố vận tốc có dạng Parabol 4.4 Dòng chảy rối ống Ở trạng thái chảy rối ống người ta đưa vào hệ số nhớt bổ sung, biểu đồ phân bố vận tốc có dạng logarit 23 CHƢƠNG CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT KHÍ 5.1 Các phương trình chất khí 5.1.1 Phương trình trạng thái Đối với chất khí hoàn hảo ta có: 5.1.2 Phương trình lưu lượng Có dạng giống chất lỏng nén 5.1.3 Phương trình Becnuli  Đối với dòng nguyên tố chất khí tưởng;  Xét trình đoạn nhiệt;  Xét trình đẳng nhiệt; 5.1.4 Phương trình Entanpi (Nhiệt hấp thụ + Công áp lực) = (Thế + động + nội + công học + công ma sát) 24 Xét trình đoạn nhiệt Hình 5.1 Thành lập phương trình Entanpi 5.2 Các thông số dòng khí 5.2.1 Vận tốc âm Vận tốc âm phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối Số Mắc tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá mức độ ảnh hưởng tính nén đến chuyển động, tiêu chuẩn quan trọng hai dòng khí tương tự M < 1: Dòng âm; M = 1: Dòng độ; M > 1: Dòng âm (siêu âm) 5.2.2 Dòng hãm dòng tới hạn Khi chất khí trạng thái tĩnh v = 0, người ta nói chất khí trạng thái hãm, p0, T0, ủ0.v.v gọi thông số dòng hãm  Nhiệt độ; 25  Áp suất;  Vận tốc;  Lưu lượng từ bình chứa Hình 5.2 Dòng hãm dòng tới hạn 26 CHƢƠNG TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐƢỜNG ỐNG 6.1 Phân loại 6.1.1 Dựa vào tổn thất lượng  Đường ống ngắn: Là đường ống có chiều dài không đáng kể, tổn thất lượng cục chủ yếu (hwc > 0,1 hw);  Đường ống dài: Là đường ống có chiều dài lớn, tổn thất lượng dọc đường chủ yếu (hwc < 0,1 hw) 6.1.2 Căn vào điều kiện thủy lực cấu trúc đường ống  Đường ống đơn giản: Là đường ống có đường kính d lưu lượng Q không đổi dọc theo chiều dài đường ống;  Đường ống phức tạp: Là đường ống có đường kính d lưu lượng Q thay đổi nghĩa gồm nhiều đường ống đơn giản ghép nối lại 6.2 Những công thức dùng tính toán thủy lực đường ống  Phương trình Becnuli chất lỏng thực;  Tính công suất tiêu hao vận chuyển đường ống;  Phương trình lưu lượng; Q = V.  Công thức tính tổn thất 27 6.3 Tính toán thủy lực đường ống đơn giản 6.3.1 Tính H1 biết H2; Q; l; d; n (độ nhám tương đối) 6.3.2 Tính Q biết H1; H2; l; d; n (độ nhám tương đối) 6.3.3 Tính d biết H1; H2; l; Q; n (độ nhám tương đối) 6.3.4 Tính d, H1 biết H2; l; Q; n (độ nhám tương đối) Xác định vận tốc kinh tế, từ xác định Q sau tính H1 6.4 Tính toán thủy lực đường ống phức tạp 6.4.1 Hệ thống đường ống nối tiếp  Trường hợp nối tiếp kín Hình 6.1 Sơ đồ ống nối tiếp kín  Trường hợp nối tiếp có rò rỉ chất lỏng chỗ nối 28 Hình 6.2 Sơ đồ ống nối tiếp kín có rò rỉ chất lỏng chỗ nối 6.4.1 Hệ thống đường ống song song Hình 6.3 Sơ đồ đường ống mắc song song 6.4.2 Hệ thống đường ống phân phối liên tục Giả thiết ban đầu Kết luận 29 Hình 6.4 Đường ống phân phối liên tục 6.4.3 Hệ thống đường ống phân nhánh hở Các bước giải toán đường ống phân nhánh  Bước 1: Tính đường ống Xác định đường kính ống theo vận tốc kinh tế Xác định cột áp nguồn H0  Bước 2: Tính đường ống nhánh xác định đường kính Hình 6.5 Sơ đồ đường ống phân nhánh hở 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hoàng Đức Liên (2007) Kỹ Thuật Thủy Khí Đại học Nông Nghiệp, Hà Nội [2] Huỳnh Văn Hoàng Thủy khí kỹ thuật ứng dụng Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Đà Nẵng [3] Trần Văn Hưng Thủy khí công trình Đại học Cần Thơ, Cần Thơ Tiếng Anh [4] Genick Bar - Meir (2013) Basics of Fluid Mechanics Orange Grove Texts Plus, Chicago 31 ... tượng nhiệm vụ nghiên cứu 1.1.1 Khái niệm: Kỹ thuật Thủy Khí môn khoa học thuộc lĩnh vực Cơ học, nghiên cứu quy luật chuyển động đứng yên chất lỏng – chất khí trình tương tác lực lên vật thể khác... Sơ đồ đường ống phân nhánh hở 30 LỊCH SỬ MÔN HỌC Sự cần thiết phải có hiểu biết kỹ thuật thủy khí bắt nguồn từ mục đích người muốn tìm kiếm nguồn cung cấp nước Ban đầu người ta nhận giếng... Lưu Chất bao gồm:  Chất lỏng;  Chất khí Bảng 1.1 So sánh chất rắn, lỏng, khí Chất rắn Chất lỏng Phụ thuộc vào hình dáng bình chứa, có mặt thoáng Chất khí Chiếm toàn thể tích bình chứa, mặt