Bài giảng cơ lưu chất

File bài giảng Cơ lưu chất được soạn bởi th.s trường ĐH SPKT, với đầy đủ nỗi dung và các chương, thích hợp làm tài liệu tham khảo cho thầy cô và các bạn sinh viên.Có các bài tập VD, và hướng dẫn giải cũng như giải thích công thức.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BỘ MƠN CÔNG NGHỆ NHIỆT- ĐIỆN LẠNH BÀI GIẢNG CƠ LƯU CHẤT ỨNG DỤNG GV: GVC.Th.s Nguyễn Thị Bích Ngọc NỘI DUNG ChươngI • Mở Đầu Chương II • Thủy Tĩnh Học Chương III • Động Học Lưu Chất Chương IV • Động Lực Học Lưu chất Chương V • Dòng Chảy Một Chiều Chương VI • Dòng Chảy Qua Lỗ, Vòi Chương VII • Tính Tốn Đường Ống Chương I: Mở Đầu I Đối tượng nghiên cứu nhiệm vụ thủy lực học: 1.Đối tượng nghiên cứu: a) Sự đời thủy lực học: Từ xuất đất, lồi người ln tìm cách bắt nước phục vụ sinh hoạt sản xuất, đồng thời ln tìm cách chặn tai họa mà gây Chính mà người cần phải biết kỹ quy luật chi phối nước trạng thái tĩnh trạng thái chuyển động xây dựng nên ngành khoa học tách rời khỏi vật lý học học Ngành khoa học thủy lực học Về thực chất, thủy lực học phận học chất lỏng ứng dụng b) Lịch sử phát triển: - Aristoteles (384-322 TCN) nghiên cứu tượng thủy động, đặc biệt vấn đề tác dụng tương hổ chất PLAY lỏng với vật thể chuyển động Từ xác định Chương I Chương II Chương IV Chương V Chương VI Chương VII lực cản củaChương nướcIIIvà khơng khí chuyển động Chương I: Mở Đầu I Đối tượng nghiên cứu nhiệm vụ thủy lực học: Nhiệm vụ thủy lực học: Thủy lực học môn kỹ thuật sở chuyên nghiên cứu: - Các quy luật cân chuyển động chất lưu - Các quy luật lực tác dụng tương hỗ môi trường với vật thể chuyển động môi trường chất lưu - Lực tác dụng chất lỏng lên thành rắn bao quanh - Ứng dụng quy luật vào lĩnh vực sản xuất đời sống PLAY Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII Chương I: Mở Đầu II Phương pháp nghiên cứu thủy lực học: Ta biết rằng: Bản chất tượng thủy lực thường vật lý học Công cụ để giải toán thủy lực toán học Vì phải nắm vững số kiến thức toán, cơ, lý số khái niệm sức bền vật liệu giải vấn đề thủy lực Trong nghiên cứu thủy lực phải kết hợp chặt chẽ lý thuyết thực nghiệm - Quan sát tượng - Lập mơ hình thí nghiệm - Phân tích lý luận toán học Khi giải toán thủy lực phải áp dụng nguyên lý học vật lý học gồm nguyên lý bảo toàn: PLAY + Nguyên lý bảo toàn khối lượng (bảo toàn liên tục) Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII + Nguyên lý bảo toàn động lượng (nguyên lý Chương I: Mở Đầu III- Một số tính chất vật lý chất lưu: Tính chất chung: + Thủy lực học nghiên cứu hình thái cân chuyển động học vĩ mô chất lưu, không nghiên cứu đến quy mô phân tử chất lưu coi mơi trường liên tục, đồng đẳng hướng Các đại lượng lý đặc trưng biểu diễn hàm liên tục + Lực liên kết phần tử chất lưu nhỏ, nên chất lưu có: -Tính di động cao (khơng có hình dạng cố định) -Tính chống lực kéo lực cắt yếu (hầu khơng chống được), gọi tính chịu kéo chịu cắt + Chất lỏng có tính chống nén lớn, coi nhưPLAY khơng Chương nén Chất khí Chương khác IV chất Chương lỏng chỗ: có Chương I II Chương III V Chương VI Chương VII tính nén được, thể tích thay đổi áp suất thay đổi III- Một số tính chất vật lý chất lưu: 3) Tính nén được, tính giãn nở: + Tính nén được: khả thay đổi thể tích lưu chất áp suất tác dụng lên thay đổi, đặc trưng hệ số nén được, ký hiệu p - lượng biến đổi thể tích tương đối lưu chất áp suất thay đổi đơn vị p =- [m2/N] V - thể tích ban đầu chất lưu áp suất chưa thay đổi, m3 dV - lượng thay đổi thể tích, m3 dp - lượng thay đổi áp suất, N/m2 Vì < (vì áp suất thể tích nghịch biến) nên đặt dấu trừ (-) để p > * Số nghịch đảo p mơđun đàn hồi thể tích, ký hiệuPLAY Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII E: Chương I: Mở Đầu III- Một số tính chất vật lý chất lỏng: 4.Tính nhớt: vv fft t II hh FF SS IIII a) Thí nghiệm Newton lực nhớt: Ta biết rằng: rót nước rót dầu nhờn điều kiện nhau, nước dễ chảy chảy nhanh dầu, dầu trơn nhẹ nước Nguyên nhân tượng tính chất quan trọng chất lỏng tính nhớt Newton thí nghiệm sau: cho hai phẳng I II trượt lên nhau, có lớp mỏng chất lỏng, thường loại dầu Tấm I có diện tích S, khoảng cách I II PLAY h tác dụng ngoại lực F,IVsauChương thờiV gian nàoVIđó I ChươngDưới I Chương II Chương III Chương Chương Chương VII Chương I: Mở Đầu III- Một số tính chất vật lý chất lỏng: 4.Tính nhớt: b) Giả thuyết Newton lực nhớt Newton đưa hai giả thuyết sau: * Giả thiết vận tốc: + Các phần tử chất lỏng dính chặt vào I di chuyển có vận tốc + Các phần tử chất lỏng dính chặt vào II không chuyển PLAY động, vận tốc Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII + Vận tốc phần tử chất lỏng phẳng tuân theo quy Chương I: Mở Đầu III- Một số tính chất vật lý chất lỏng: 4.Tính nhớt: d) Hệ số nhớt động lực  hệ số nhớt động học  : * Hệ số nhớt động lực : (độ nhớt động lực) Từ biểu thức (1.4) suy ra: (N.s)/m2 (1.6) Nếu lấy s = đvị du/dy = đvị =>  tương đương lực Ngoài  đo đơn vị thơng dụng: - poise, ký hiệu p: 1p = Ns/m2 - centipoise, ký hiệu cp: 1cp = p = Ns/m2 = Ns/m2 * Hệ số nhớt động học ν: (độ nhớt động học) ; (1.7) PLAY Ngồi ν đo đơn vị thông dụng: -4 Chương I Stokes Chương II(st)Chương Chương V Chương VI Chương VII III st = 1Chương cm2/sIV= 10 m2/s CHƯƠNG VII – TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP II – Tính thủy lực đường ống đơn giản: Phương pháp Bernoully: a) Cơng thức bản: H = hd Hình 7.3 Chương I Chương II Chương III Chương IV PLAY Chương V Chương VI Chương VII CHƯƠNG VII – TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP II – Tính thủy lực đường ống đơn giản: Phương pháp Bernoully: b) Giải bốn toán bản: * Bài toán 1: xác định cột áp H (Q, d biết) Từ biểu thức (7.2) ta xác định H * Bài toán 2: xác định lưu lượng Q (H, d biết) Từ biểu thức (7.3), ta có: Q= Trong đó: H = + - chênh lệch cột áp đầu cuối đường ống Đây biểu thức tuyến tính theo Q = f(Re), Re = f(v), v = f(Q), tức λ chứa Q muốn tính Q ta phải sử dụng phương pháp gần Ở ta sử dụng phương pháp thử dần, gồm bước sau: PLAYQ - Cho trước giá trị hệ số masát , từ tính Re i , , Qi Thay i Chương I III Chương IV vào biểuChương thức II(7.2)Chương ta tính hệ số Chương V Chương VI Chương VII CHƯƠNG VII – TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP II – Tính thủy lực đường ống đơn giản Phương pháp Becnoulli b) Giải bốn tốn bản: Hình 7.2 PLAY * Bài Chương tốn 3:II xácChương địnhIII đường kính d (H, Q biết) Chương IV Chương V Chương VI Chương VII Ta sử dụng phương pháp gần khác phương pháp Chương I CHƯƠNG VII – TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP II – Tính thủy lực đường ống đơn giản 2.Phương pháp hệ số đặc trưng:  Điều kiện hạn chế: - Ống dài - Dòng chảy đều, có áp - Chảy rối khu vực bình phương sức cản (đối với khu vực khác phải có hệ số điều chỉnh kết quả)  Giá trị hệ số hiệu chỉnh tổn thất a v 1,2m/s (dùng cho ống gang thép) v(m/s) 0,20 0,40 0,50 0,60 0,80 0,90 1,00 a 1,15 1,115 1,085 1,06 1,04 1,030 1,015 1,0 1,41 1,20 0,70 1,10 1,20 PLAY Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII CHƯƠNG VII – TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP II – Tính thủy lực đường ống đơn giản 2.Phương pháp hệ số đặc trưng: a) Giả thuyết công thức bản: H = hd Hình 7.3 PLAY Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII – TÍNH CÓgiá ÁPtrị lưu Từ kCHƯƠNG n VII biết, ta traTOÁN ngượcTHỦY bảngLỰC k ĐƯỜNG xác địnhỐNG lượng II – TínhQ thủy lực đường ống đơn giản *Bài toán 4: xác định d H (Q, n biết) 2.Phương hệ số đặcBernoully, trưng: tính theo hai bước: Tương tựpháp phương pháp Xácbốn địnhbài d: toán ta chọn trước d theo vận tốc kinh tế v kt hay vận tốc b) -Giải bản: hạn chế vhc : d= - Xác định H: tương tự tốn Sử dụng biểu thức (4.125), ta có: H = l Với d n biết, ta tra bảng xác định cột áp H PLAY Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII CHƯƠNG VII – TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP III – Tính thủy lực đường ống phức tạp: Hệ thống nối tiếp: Hệ thống nối tiếp gồm nhiều đoạn ống đơn giản đường kính khác mắc nối tiếp Đặc điểm thủy lực: Q = Q1 = Q2 = Q3 = …= Qm (4-127) H = Hđầu - Hcuối = = … =∑ = … = ∑= hdi + hni (4-128) hni : tổn thất cục chỗ nối Trường hợp ống dài bỏ qua tổn thất cục H = hd (4-129) Chương I Chương II Chương III Chương IV Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 l1 , d1 l , d l , d hn hn l4, d4 hn Hình 7.4 PLAY Chương V Chương VI Chương VII VII –đường TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP thống CHƯƠNG gồm nhiều ống đơn giản có chung nút III – Tính thủy lực đường ống phức tạp: nút vào tạp: 2.Hệ thống nối song song: Đặc điểm thủy lực: Q = Q1 + Q2 + Q3 +…+ Qm = (4-132) l1 , d1 , Q1 l2 , d2 , Q2 H = Hđầu - Hcuối = H = H1 = H2 Q = … = Hi = h w (4-133) Trong đó: Điể m li , di ,Qi Điể m Hi = hdi + hci + hnvi + hnri lm , dm ,Qm cuố i đầ u (4-134) Hình 7.6  hnvi , hnri : tổn thất lượng nút vào nút ống thứ i hci : tổn thất cục đoạn ống thứ i hdi : tổn thất dọc đường tai ống i PLAY Đối đường dàiIIIthì:Chương IV Chương V Chương VI Chương VII Chương I với Chương II ống Chương CHƯƠNG VII – TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP III – Tính thủy lực đường ống phức tạp: tạp: 3.Đường ống phân phối liên tục: l Qv Hình 7.7 x M dx d Qr Q ff Giả sử đoạn l chất lỏng chất lỏng xả liên tực với lưu lượng q (lưu lượng đơn vị chiều dài) Kí hiệu: Qv: lưu lượng vào đoạn l Qr: lưu lượng đoạn l Qff:lưu lượng phân phối đoạn chiều dài l, Qff = q.l PLAY * Lưu cách III đầu đoạn Chương khoảng Chương I lượng Chươngtại II MChương Chươngl IV V x là: Chương VI Chương VII - Độ cao đo ápVII áp suất yêu cầu LỰC CHƯƠNG – TÍNH TOÁN THỦY nơi tiêu thụ = III – Tính thủy lực đường ống phức tạp: - Độ cao hình học điểm Hệ thống phân nhánh hở từ mặt hệ4.thống đường ống: z (tính chuẩn chung) - Chiều dài đoạn đường ống l - Hệ số nhám n độ nhám ống Yêu cầu: Xác định đường kính đoạn ống d cột áp nguồn H0 ĐƯỜNG ỐNG CÓ ÁP ổtrục Lọc dầu ổtrục ổtrục Máy bơm Bình chứa nước Hình 7.8 PLAY Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII GồmCHƯƠNG bước:VII – TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP a Tính đường Xác địnhống đường kính đường ống b Xác định cột áp nguồn: H0 Các đường kính đường ống xác định theo vận tốc hạn chế, vận tốc kinh tế: = Đối với hệ thống đường ống ngắn, nên thiết kế đường ống có đoạn ống đường kính để dễ lắp đặt Khi cơng thức lưu lượng lớn đường ống Cách xác định cột áp H0 nguồn theo đường ống giống hệ thống ống nối tiếp PLAY Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII CHƯƠNG VII – TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP Tính với ống nhánh: II I III A II II III F Hình 7.9 Nhiệm vụ: xác định đường kính Bài tốn tương tự toán (đường ống đơn giản) Để áp dụng cách giải toán 3, ta phải xác định cột áp đầu nhánh Ví dụ: Tính đường kính nhánh A-F Xuất phát từ nút A đường ống Ta biết thông số hình học khác đường ống nhánh, lưu lượng cột áp F Từ ta suy hiệu áp hai đầu PLAY nhánh, từ tính d theo toán Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII CHƯƠNG VII – TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP IV Va đập thủy lực ống: Hiện tượng (Được nhà bác học Nga Giucôpxki phát vào năm 1898) Va đập thủy lực tượng biển đổi áp suất đột ngột vận tốc dòng chảy tăng hay giảm đột ngột Khi chất lỏng chuyển động với vận tốc lớn ống, đóng khóa lại cách đột ngột áp suất dòng chảy (trước tiên khóa) tăng vọt lên, tượng va đập thủy lực dương Áp suất tăng gấp nhiều lần áp suất ống gây vỡ ống Ngược lại chất lỏng ống trạng thái tĩnh áp suất lớn mà ta mở khóa đột ngột làm chất lỏng chuyển động với vận tốc lớn, áp suất dòng chảy (trước tiên khóa) tụt hẳn xuống gây tượng va đập thủy lực âm Hiện tượng PLAY tạo áp suất chân không đường ống Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII Nguyên nhân tăng giảm áp suất va đập thủy lực Vận tốc truyền sóng, độ tăng áp suất: D H = const v= v+ v V l k A r C x= a t B Hình 7.10 Ta khảo sát chất lỏng chuyển động từ bình chứa với vận tốc v ống dẫn có chiều dài l đường kính d = 2r Cuối ống có khóa k Giả sử thời điểm đóng khóa k, diện tích S ống giảm đại lượng Khi vận tốc giảm lượng (trước tiên khóa, sau truyền lớp đến lớp khác theo hướng từ khóa đến bể chứa) Vận tốc giảm làm áp suất tăng dó làm chất lỏng PLAY bị nén thành ống bị nở Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII Giả sử thời điểm t tăng áp suất truyền đến tiết diện AB, đến CHƯƠNG VII – TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP IV Va đập thủy lực ống: Chống va đập thủy lực: Một số biện pháp: - Đóng, mở khóa, van từ từ - Dùng ống lớn để giảm tốc độ dòng chảy - Dùng vật liệu làm ống có mô đun đàn hồi bé - Dùng thiết bị tự động tháo chất lỏng đường ống áp suất vượt trị số định trước PLAY Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chương VI Chương VII ... Đầu III- Một số tính chất vật lý chất lưu: Tính chất chung: + Thủy lực học nghiên cứu hình thái cân chuyển động học vĩ mô chất lưu, không nghiên cứu đến quy mô phân tử chất lưu coi môi trường liên... tích lưu chất áp suất tác dụng lên thay đổi, đặc trưng hệ số nén được, ký hiệu p - lượng biến đổi thể tích tương đối lưu chất áp suất thay đổi đơn vị p =- [m2/N] V - thể tích ban đầu chất lưu. .. dụng lên phần tử chất lưu tỷ lệ với khối lượng chất lưu (m) Ví dụ: + Trọng lực: G = mg + Lực quán tính: F = - ma v + Lực ly tâm: F = m b) Lực bề mặt: lực tác dụng lên phần tử chất lưu thông qua