giáo trình thủy khí, thủy lực, Phan thành long khoa cơ khí giao thông

giáo trình trình bày cụ thể rõ ràng các chương trong hệ thống thủy khí thủy lực, thuộc các trường đại học khối kĩ thuật ( cụ thể là đại học bách khoa Đà Nẵng). giáo trình được sử dụng trong giảng dạy và học tập của sinh viên đại học bách khoa. Có hệ thống lý thuyết và bài tập cụ thể , rõ ràng. có nhiều tài liệu tham khảo kèm theo từ nước ngoài ( anh , mỹ) .dễ hiểu và dễ học do thầy Phan Thành Long , đại học bách khoa Đà Nẵng biên soạn

THỦY KHÍ (Fluid Mechanics) Phan Thành Long ptlong@dut.udn.vn Phòng C226, Khoa Cơ khí Giao thông TÀI LIỆU THAM KHẢO (References) Giáo trình Kỹ thuật Thủy khí – Hoàng Đức Liên Thủy lực Máy thủy lực – Nguyễn Phước Hoàng Bài tập Thủy lực & Máy thủy lực – Ngô Vi Châu Thủy khí động lực kỹ thuật 1,2 – Vũ Duy Quang Fundamentals of Fluid Mechanics – R.Munson, F.Young, H.Okiishi Fluid Mechanics – F.White Introduction NỘI DUNG (Contents)  Mục tiêu  Các khái niệm  Lịch sử phát triển  Thứ nguyên đơn vị  Các tính chất chất lỏng  Tính nhớt chất lỏng Introduction MỤC TIÊU (Objectives)  Nghiên cứu quy luật cân chuyển động dòng chất lỏng  Lực tác dụng chất lỏng lên vật thể ngập trạng thái tĩnh hay chuyển động  Ứng dụng quy luật vào sản xuất đời sống Fluid Kinematics NỘI DUNG (Contents)  Mục tiêu  Các khái niệm  Lịch sử phát triển  Thứ nguyên đơn vị  Các tính chất chất lỏng  Tính nhớt chất lỏng Introduction KHÁI NIỆM CHẤT LỎNG (The Concept of a Fluid) Vật chất tồn ba dạng sau: (tại nhiệt độ cao, tồn dạng plasma) Chất rắn (Solid) Chất nước (Liquid) Chất khí (Gas) Chất lỏng (Fluid) Chất lỏng chất chống lại ứng suất tiếp Một ứng suất tiếp, dù vô nhỏ, tác động vào chất lỏng làm biến dạng liên tục Introduction HỆ VÀ THỂ TÍCH KIỂM TRA Một hệ (system) định nghĩa lượng vật chất vùng không gian chọn để nghiên cứu Vùng xung quanh Hệ Biên (Boundary) Hệ đóng Hệ mở  Một hệ đóng (closed system) – gọi khối lượng kiểm tra (control mas) - chứa lượng cố định vật chất, vật chất trao đổi qua biên hệ Chỉ lượng, dạng nhiệt công, trao đổi qua biên  Một hệ mở (open system) – gọi thể tích kiểm tra (control volume) – thường thể tích chọn không gian, qua khối lượng vào qua biên Introduction PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hai cách tiếp cận để nghiên cứu toán thủy khí: Lý thuyết : phương pháp giải tích  u x u x  ux dU u  u  U   y  x x y dx y   u x u y   0  x y Thực nghiệm : xây dựng mô hình tỷ lệ với thực tế, sử dụng thiết bị đặc biệt để thu kết mong muốn Phương pháp mô số: Giải gần phương trình chủ đạo Introduction 10 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THỦY KHÍ Archimedes (287-212 B.C) D Bernoulli (1700-1782) L Euler (1707-1783) G G Stokes (1819-1903) L Prandtl (1875-1953) Introduction 12 NỘI DUNG (Contents)  Mục tiêu  Các khái niệm  Lịch sử phát triển  Thứ nguyên đơn vị  Các tính chất chất lỏng  Tính nhớt chất lỏng Introduction 13 THỨ NGUYÊN VÀ ĐƠN VỊ Thứ nguyên (Dimension): biểu thị đặc tính đại lượng vật lý Ví dụ: Chiều dài L, khối lượng m, vận tốc V  Thứ nguyên sơ cấp (Primary Dimension): khối lượng m, chiều dài L, nhiệt độ T, thời gian t  Thứ nguyên thứ cấp (Secondary Dimension): thứ nguyên biểu diễn dạng thứ nguyên sơ cấp: V [L/t]; F[mL/t2] Đơn vị (Unit): độ lớn gắn với thứ nguyên Ví dụ: mm, cm, m; g, kg, m/s, km/h  Hệ đơn vị SI (Le Système International d’Unités): kg, m, K, s  Hệ đơn vị BG (The British Gravitational System): slugs, feet (ft), Rankine oR, s Ngoài ra, có số hệ đơn vị khác thường sử dụng, như: CGS (dyne, gram, cm, s, K); hệ Anh (lbf, lbm, ft, s, oR) – thường sử dụng Mỹ Introduction 14 THỨ NGUYÊN VÀ ĐƠN VỊ Bảng chuyển đổi hệ đơn vị SI BG: Thứ nguyên Đơn vị SI Đơn vị BG Hệ số chuyển đổi Khối lượng (m) Kilogram (kg) Slug Chiều dài (L) Mét (m) Foot (ft) Thời gian (t) Giây (s) Giây (s) Nhiệt độ (T) Kelvin (K) Rankine (oR) Vận tốc m/s ft/s ft/s = 0.3048 m/s Gia tốc m/s2 ft/s2 ft/s2 = 0.3048 m/s2 Áp suất N/m2 lbf/ft2 lbf/ft2 = 47.88 N/m2 Ví dụ: mm, cm, m; Jg,= kg, m/s, km/h N.m ft.lbf Năng lượng slug = 14.5939 kg ft = 0.3048 m K = 1.8 oR ft.lbf = 1.3558 J Công suất = J/s ft.lbf/s d’Unités): kg, = 1.3558 W  Hệ đơn vị SI (Le W Système International m,ft.lbf/s K, s Khối lượng riêng kg/m3 slug/ft3 slug/ft3 = 515.4 kg/m3 Lưu ý: Trong kỹ thuật, tất phương trình phải tuân theo nguyên lý đồng thứ nguyên Introduction 15 NỘI DUNG (Contents)  Mục tiêu  Các khái niệm  Lịch sử phát triển  Thứ nguyên đơn vị  Các tính chất chất lỏng  Tính nhớt chất lỏng Introduction 16 MÔI TRƯỜNG LIÊN TỤC Chất lỏng xem môi trường liên tục, đồng đẳng hướng  thuộc tính chất lỏng xem hàm liên tục (có giá trị điểm, thay đổi liên tục không gian không tồn bước nhảy gián đoạn) Giả thiết áp dụng kích thước hệ xét lớn nhiều so với khoảng cách phân tử Ví dụ: Trong mm3 khí O2, nhiệt độ 20 oC áp suất atm, có 2.5 x 106 phân tử O2, khoảng cách phân tử 6.3 x 10-8 m Introduction 17 KHỐI LƯỢNG RIÊNG (Density)  Khối lượng riêng : khối lượng đơn vị thể tích, ký hiệu ρ, đơn vị kg/m3  M V (kg/m3) M khối lượng chất lỏng (tính theo kg) chứa thể tích V (tính theo m3 )  Đối với chất nước, khối lượng riêng bị ảnh hưởng áp suất nhiệt độ, chất khí ngược lại  Thể tích riêng (specific volume), ký hiệu v, đơn vị (m3/kg)   (m3/kg) Introduction 18 TRỌNG LƯỢNG RIÊNG (Specific Weight)  Trọng lượng riêng : trọng lượng khối chất lỏng chứa đơn vị thể tích, ký hiệu γ, đơn vị N/m3 G     g V (N/m3) Trong tính toán kỹ thuật thường lấy giá trị g = 9,81 m/s2  Tỷ trọng (Specific gravity): tỷ số trọng lượng riêng chất lỏng so với trọng lượng riêng nước 4oC, ký hiệu δ (hoặc SG)    H O ,4o C Introduction 19 TÍNH NÉN (Compressibility)  Tính nén : khả thay đổi thể tích chất lỏng áp suất thay đổi, đặc trưng hệ số nén βp (m2/N) p   V V0 p (m2/N) ΔV = V - V0 : thay đổi thể tích V0 : thể tích ban đầu chất lỏng Δp = p - p0 : thay đổi áp suất  Mô đun đàn hồi (Bulk modulus) chất lỏng, ký hiệu E, đơn vị N/m2 : E p (N/m2) Chất nước thường xem không nén ( = const), chất khí nén (  const) Introduction 20 TÍNH GIÃN NỞ NHIỆT (Volume Expansion)  Tính giãn nở nhiệt : khả thay đổi thể tích chất lỏng nhiệt độ thay đổi, đặc trưng hệ số giãn nở βt V t  V0 T ΔV = V - V0 : thay đổi thể tích V0 : thể tích ban đầu chất lỏng ΔT = T - T0 : thay đổi nhiệt độ Introduction 21 NỘI DUNG (Contents)  Mục tiêu  Các khái niệm  Lịch sử phát triển  Thứ nguyên đơn vị  Các tính chất chất lỏng  Tính nhớt chất lỏng Introduction 22 TÍNH NHỚT (Viscosity) Thí nghiệm giả thuyết nhớt Newton  Tác dụng lên lực F  Tấm chuyển động với vận tốc V  Xuất lực f độ lớn ngược chiều F f   A V h (N) Tính nhớt gây cản trở chuyển động làm tiêu  Chất lỏng phẳng chuyển động với vận tốc u hao lượng chất lỏng u  u( y )  V y (m/s) h  Lớp chất lỏng nằm sát bề mặt phẳng chuyển động với vận tốc u = V  Lớp chất lỏng nằm sát bề mặt phẳng đứng yên u = (điều kiện không trượt) Introduction 23 TÍNH NHỚT (Viscosity) Giả thiết nhớt Newton: chất lỏng chuyển động, chuyển động thành lớp vô mỏng trượt lên  xuất lực ma sát trong, gọi lực nhớt F   A du dy (N) F : lực nhớt tiết diện A A : diện tích tiết diên nơi xảy lực nhớt μ : hệ số nhớt động lực du : gradient vận tốc theo phương y dy τ - ứng suất tiếp lực nhớt gây  F du d     A dy dt (N/m2) Chất lỏng có ứng suất tiếp tỷ lệ với tốc độ biến dạng trượt d/dt gọi chất lỏng Newton (nước, dầu, cồn, không khí ) Những chất lỏng khác gọi chất lỏng phi Newton (máu, hồ, sơn ) Introduction 24 TÍNH NHỚT (Viscosity) Các loại hệ số nhớt  Hệ số nhớt động lực (dynamic viscosity), ký hiệu μ , đơn vị Ns/m2 Các đơn vị khác: Poise (P), Centi-poise (cP) P = 100 cP = 0,1 Ns/m2  Hệ số nhớt động học (kinermatic viscosity), ký hiệu , đơn vị m2/s     (m2/s) Các đơn vị khác: Stoke (St), Centistoke (cSt) St = 100 cSt = 1.10-4 m2/s Introduction 25 TÍNH NHỚT (Viscosity) Sự phụ thuộc độ nhớt vào áp suất nhiệt độ  Độ nhớt chất lỏng phụ thuộc vào áp suất phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ  Độ nhớt chất nước tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, chất khí ngược lại cm2/s (nước) 0,020 dầu cm2/s (Kh.khí) 0,40 cm2/s(dầu )3 ν 0,30 0,015 Nước ν 0,010 Kh.khí 0,005 0 0,20 0,10 10 20 30 40 50 60 70 80 Introduction 90 100(0C) 26 ... LIỆU THAM KHẢO (References) Giáo trình Kỹ thuật Thủy khí – Hoàng Đức Liên Thủy lực Máy thủy lực – Nguyễn Phước Hoàng Bài tập Thủy lực & Máy thủy lực – Ngô Vi Châu Thủy khí động lực kỹ thuật 1,2... nhớt chất nước tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, chất khí ngược lại cm2/s (nước) 0,020 dầu cm2/s (Kh .khí) 0,40 cm2/s(dầu )3 ν 0,30 0,015 Nước ν 0,010 Kh .khí 0,005 0 0,20 0,10 10 20 30 40 50 60 70 80... đơn vị  Các tính chất chất lỏng  Tính nhớt chất lỏng Introduction 11 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THỦY KHÍ Archimedes (287-212 B.C) D Bernoulli (1700-1782) L Euler (1707-1783) G G Stokes (1819-1903)