Giáo trình kỹ thuật thủy khí

Giáo trình kỹ thuật thủy khí

http://www.ebook.edu.vn B GIO DC V O TO TRNG I HC NễNG NGHIP H NI Pgs.ts. Hoàng đức liên Giáo trình Kỹ thuật Kỹ thuật Kỹ thuật Kỹ thuật Thuỷ khí Thuỷ khíThuỷ khí Thuỷ khí Hà nội 2007 http://www.ebook.edu.vn Trng i hc Nụng nghip H Ni Giỏo trỡnh K thut Thu khớ .ii Lời nói đầu Nhằm đáp ứng yêu cầu giảng dậy và học tập của giáo viên và sinh viên thuộc ngành Kỹ thuật cơ khí nông nghiệp của các trờng đại học kỹ thuật, chúng tôi biên soạn cuốn giáo trình kỹ thuật Thủy khí Theo chơng trình khung Giáo dục Đào tạo đ đợc Bộ Giáo dục và Đào tạo duyệt, với khối lợng 3 tín chỉ (credits). Giáo trình đợc trình bày ngắn gọn, dễ hiểu, đề cập những nội dung cơ bản trọng tâm của môn học: Cơ học chất lỏng đại cơng, Máy thuỷ khí. Trong mỗi chơng của giáo trình có đa thêm phần ví dụ và bài tập để sinh viên tham khảo, làm bài tập thực hành và củng cố lý thuyết Ngoài ra cuốn sách này có thể dùng làm tài liệu học tập, tham khảo cho sinh viên các ngành Đại học khác, sinh viên hệ cao đẳng kỹ thuật cơ khí Tác giả xin chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến quí báu của GS.TSKH. Vũ Duy Quang - nguyên trởng bộ môn Thuỷ khí kỹ thuật và Hàng không, Trờng đại học Bách khoa Hà Nội cùng các đồng nghiệp. Tuy nhiên do trình độ có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót, rất mong đợc các độc giả phê bình góp ý. Tác giả xin chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến của các độc giả! Hà Nội, tháng 02 năm 2008 Tác giả http://www.ebook.edu.vn iii mục lục Trang phần A : cơ học chất lỏng đại cơng Chơng I: mở đầu 1.1. Đối tợng, phơng pháp nghiên cứu môn học 1.2. Sơ lợc về lịch sử phát triển môn học, ứng dụng 1.3. Một số tính chất cơ lý cơ bản của chất lỏng 1.4. Ví dụ và Bài tập Chơng II: Tĩnh học chất lỏng 2.1. áp suất thuỷ tĩnh 2.2. Phơng trình vi phân của chất lỏng cân bằng . 2.3. Phơng trình cơ bản của thuỷ tĩnh học . 2.4. Tĩnh tơng đối 2.5. Tính áp lực thuỷ tĩnh 2.6. Một số ứng dụng của thuỷ tĩnh học 2.7. Tĩnh học chất khí 2.8. Ví dụ và Bài tập Chơng III: Động lực học chất lỏng 3.1. Khái niệm chung 3.2. Phơng trình liên tục của dòng chảy 3.3. Phơng trình vi phân chuyển động của chất lỏng lý tởng - phơng trình Ơle động . 3.4. Phơng trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực - Phơng trình Navie- Stokes . 3.5. Phơng trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tởng 3.6. Phơng trình Becnuli viết cho dòng chất lỏng thực . 3.7. Một số ứng dụng của phơng trình Becnuli 3.9. Phơng trình biến thiên động lợng đối với chuyển động dừng 3.10. Ví dụ và Bài tập . Chơng IV: Chuyển động một chiều của chất lỏng không nén đợc 7 7 7 8 14 16 16 17 19 22 23 27 32 35 43 43 45 48 49 52 56 59 60 66 76 http://www.ebook.edu.vn iv 4.1. Hai trạng thái chảy của chất lỏng. Số Râynôn 4.2. Tổn thất năng lợng dòng chảy 4.3. Dòng chảy tầng trong ống. Dòng Hagen - Poadơi . 4.4. Dòng chảy rối trong ống . 4.5. Dòng chảy tầng trong các khe hẹp . 4.6. Dòng chảy trong khe hẹp do ma sát - Cơ sở lý thuyết bôi trơn thuỷ động 4.7. Ví dụ và Bài tập Chơng V: Chuyển động một chiều của chất khí 5.1. Các phơng trình cơ bản của chất khí 5.2. Các thông số của dòng khí : vận tốc âm, dòng hm, dòng tới hạn 5.3. Chuyển động của chất khí trong ống phun 5.4. Tính toán dòng khí bằng các hàm khí động và biểu đồ 5.5. Ví dụ và Bài tập Chơng VI: Tính toán thuỷ lực về đờng ống 6.1. Cơ sở lý thuyết để tính toán đờng ống . 6.2. Tính toán thuỷ lực đờng ống đơn giản . 6.3. Tính toán thuỷ lực đờng ống phức tạp . 6.4. Phơng pháp dùng hệ số đặc trng lu lợng K 6.5. Phơng pháp đồ thị để tính toán đờng ống 6.6. Va đập thuỷ lực trong đờng ống 6.7. Chuyển động của chất khí trong ống dẫn 6.8. Ví dụ và Bài tập . Chơng VII: Vật ngập trong chất lỏng chuyển động 7.1. Lực nâng : công thức tổng quát - lực nâng - định lý Giucopski Kútta 7.2. Lớp biên 7.3. Một số bài toán lớp biên 7.4. Lớp biên nhiệt độ 7.5. Ví dụ và Bài tập . Chơng VIII: dòng tia 8.1. Khái niệm về dòng tia 8.2. Các đặc trng thuỷ khí động cơ bản của dòng tia 8.3. Một số ví dụ về tính toán dòng tia ngập đối xứng 8.4. Ví dụ và Bài tập . 76 77 82 84 85 86 89 96 96 98 100 103 108 112 112 114 115 120 122 124 126 132 146 146 148 153 159 164 172 172 174 176 182 187 http://www.ebook.edu.vn v Chơng IX: Cơ sở lý thuyết thứ nguyên, tơng tự 9.1. Lý thuyết thứ nguyên - Định lý Pi và ứng dụng . 9.2. Các tiêu chuẩn tơng tự . 9.3. Mô hình hoá từng phần . 9.3. Ví dụ và Bài tập . 187 190 192 193 Phần B: Máy thuỷ khí Chơng X: Khái niệm chung về máy bơm 10.1. Vài nét về quá trình phát triển của máy bơm 10.2. Công dụng và phân loại 10.3. Các thông số cơ bản của máy bơm 10.4. Ví dụ và Bài tập Chơng XI: Bơm Ly tâm 11.1. Khái niệm chung 11.2. Lý thuyết cơ bản về bơm ly tâm 11.3. ứng dụng luật tơng tự trong bơm ly tâm . 11.4. Đờng đặc tính của bơm ly tâm 11.5. Điểm làm việc, điều chỉnh bơm ly tâm . 11.6. Ghép bơm ly tâm . 11.7. Một số điểm chú ý trong kết cấu và sử dụng bơm ly tâm 11.8. Ví dụ và Bài tập Chơng XII: Bơm Piston 12.1. Khái niệm chung . 12.2. Lu lợng của bơm piston 12.3. Phơng trình chuyển động của chất lỏng trong bơm piston 12.4. Khắc phục hiện tợng không ổn định của chuyển động chất lỏng trong bơm piston 12.5. Đờng đặc tính của bơm piston 12.6. Ví dụ và Bài tập Tài liệu tham khảo Phụ lục . 198 198 198 199 204 208 208 209 213 216 219 221 223 225 234 234 236 239 241 243 244 248 249 http://www.ebook.edu.vn Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Kỹ thuật Thuỷ khí ……………………………………………………6 PhÇn A C¬ häc chÊt láng ®¹i c−¬ng C¬ häc chÊt láng ®¹i c−¬ngC¬ häc chÊt láng ®¹i c−¬ng C¬ häc chÊt láng ®¹i c−¬ng http://www.ebook.edu.vn Trng i hc Nụng nghip H Ni Giỏo trỡnh K thut Thu khớ 7 Chơng I Mở đầu 1.1. đối tợng, phơng pháp nghiên cứu môn học 1.1.1. Đối tợng Đối tợng nghiên cứu của môn học là chất lỏng. Chất lỏng ở đây đợc hiểu theo nghĩa rộng, bao gồm chất lỏng ở thể nớc - chất lỏng không nén đợc (khối lợng riêng = const) và chất lỏng ở thể khí - chất lỏng nén đợc (khối lợng riêng const) Kỹ thuật thuỷ khí là một môn khoa học cơ sở nghiên cứu các qui luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng đồng thời vận dụng những qui luật ấy để giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong thực tiễn sản xuất và đời sống. Chính vì thế mà nó có vị trí là nhịp cầu nối giữa những môn khoa học cơ bản với những môn kỹ thuật chuyên ngành. Kỹ thuật thuỷ khí đợc chia thành phần chính: + Cơ học chất lỏng đại cơng: Nghiên cứu những qui luật cân bằng, chuyển động của chất lỏng và ứng dụng những qui luật ấy để giải quyết các vấn đề trong thực tiễn kỹ thuật, sản xuất và đời sống. Các vấn đề về tính toán thuỷ lực đờng ống, vật ngập trong chất lỏng chuyển động và cơ sở lý thuyết về thứ nguyên, tơng tự. + Máy thuỷ khí: ứng dụng kiến thức đại cơng về cơ học chất lỏng để phân loại, nghiên cứu lý thuyết cơ bản của một số loại máy thuỷ khí thông dụng nh bơm Ly tâm, bơm Piston 1.1.2. Phơng pháp nghiên cứu Trong kỹ thuật thuỷ khí thờng dùng 3 phơng pháp nghiên cứu phổ biến sau đây: Phơng pháp lý thuyết: Sử dụng công cụ toán học, chủ yếu là toán giải tích, phơng trình vi phân với các toán tử vi phân quen thuộc nh: gradient, divergent, rotor, toán tử Laplas, đạo hàm toàn phần . Sử dụng các định lý tổng quát của cơ học nh định lý bảo toàn khối lợng, năng lợng, định lý biến thiên động lợng, mô men động lợng . Phơng pháp thực nghiệm: dùng trong một số trờng hợp mà không thể giải bằng lý thuyết (xác định hệ số cản cục bộ, hệ số .) Phơng pháp bán thực nghiệm: Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. 1.2. sơ lợc về lịch sử phát triển môn học. ứng dụng 1.2.1. Sơ lợc lịch sử phát triển môn học Ngay từ thời xa xa, loài ngời đ biết lợi dụng sức nớc phục vụ cho sinh hoạt đời sống, làm nông nghiệp, thuỷ lợi, kênh đập, thuyền bè . Nhà bác học Acsimet (287-212, trớc công nguyên) đ phát minh ra lực đẩy ácsimet tác dụng lên vật nhúng chìm trong lòng chất lỏng. Nhà danh hoạ ý - Lêôna Đơvanhxi (1452-1519) đa ra khái niệm về lực cản của chất lỏng lên vật chuyển động trong nó. Ông muốn biết tại sao chim lại bay đợc. Nhng phải hơn 400 năm sau, Jucopxki và Kutta mới giải thích đợc: đó là lực nâng. http://www.ebook.edu.vn Trng i hc Nụng nghip H Ni Giỏo trỡnh K thut Thu khớ 8 1687 - Nhà bác học thiên tài ngời Anh I. Newton đ đa ra giả thuyết về lực ma sát trong giữa các lớp chất lỏng chuyển động mà mi hơn một thế kỷ sau nhà bác học Nga - Petrop mới chứng minh giả thuyết đó bằng biểu thức toán học, làm cơ sở cho việc nghiên cứu chất lỏng lực (chất lỏng nhớt) sau này. Hai ông L.Ơ le ( 1707-1783 ) và D.Becnuli ( 1700-1782 ) là những ngời đ đặt cơ sở lý thuyết cho thuỷ khí động lực, tách nó khỏi cơ học lý thuyết để thành lập một ngành riêng. Tên tuổi của Navie và Stôc gắn liền với nghiên cứu chất lỏng thực. Hai ông đ tìm ra phơng trình vi phân chuyển động của chất lỏng (1821-1845). Nhà bác học Đức - L.Prandtl đ sáng lập ra lý thuyết lớp biên (1904), góp phần giải quyết nhiều bài toán động lực học. Ngày nay, ngành thuỷ khí động lực học đang phát triển với tốc độ vũ bo, thu hút sự tập trung nghiên cứu của nhiều nhà khoa học nổi tiếng trên thế giới và trong nớc; nó can thiệp hầu hết tới tất cả các lĩnh vực đời sống, kinh tế, quốc phòng .nhằm đáp ứng mọi nhu cầu cấp bách của nền khoa học công nghệ hiện đại của thế kỷ 21. 1.2.2. ứng dụng Phạm vi ứng dụng của môn học khá rộng ri: có thể nói không một ngành nào trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật công nghệ và đời sống có liên quan đến chất lỏng và chất khí nh giao thông vận tải, hàng không, cơ khí, công nghệ hoá chất, xây dựng, nông nghiệp, thuỷ lợi . mà lại không ứng dụng ít nhiều những định luật cơ bản của thuỷ khí. 1.3. một số tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng. khái niệm về chất lỏng lý tởng 1.3.1. Một số tính chất dễ nhận biết Tính liên tục: vật chất đợc phân bố liên tục trong không gian. Tính dễ di động: do lực liên kết giữa các phần tử chất lỏng rất yếu, ứng suất tiếp (nội ma sát) trong chất lỏng chỉ khác 0 khi có chuyển động tơng đối giữa các lớp chất lỏng. Tính chống kéo và cắt rất kém do lực liên kết và lực ma sát giữa các phần tử chất lỏng rất yếu. Tính dính ớt theo thành bình chứa chất lỏng. 1.3.2. Sự trao đổi nhiệt lợng và khối lợng Nhiệt lợng truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với gradien nhiệt độ, còn khối lợng chất lỏng khuếch tán truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với gradien nồng độ của chất đó trong dòng chất lỏng. Tính chất trên đợc biểu diễn bởi các định luật sau đây: Định luật Furiê: 'dn dT q = (W/m 2 ) http://www.ebook.edu.vn Trng i hc Nụng nghip H Ni Giỏo trỡnh K thut Thu khớ 9 Định luật Fich: 'dn dC Dm = (kg/m 2 s) trong đó: q và m nhiệt lợng và khối lợng truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian; T và C nhiệt độ và nồng độ vật chất; và D hệ số dẫn nhiệt và hệ số khuếch tán. 1.3.3. Khối lợng riêng và trọng lợng riêng - Khối lợng riêng : là khối lợng của một đơn vị thể tích chất lỏng, ký hiệu là : W M = (kg/m 3 ) (1-1) trong đó : M - Khối lợng chất lỏng (kg) W - Thể tích chất lỏng có khối lợng M (m 3 ) - Trọng lợng riêng: là trọng lợng của một đơn vị thể tích chất lỏng, ký hiệu là: W G = (N/m 3 ; KG/m 3 ) (1-2) Quan hệ giữa và : = g ; g = 9,81 m/ s 2 Bảng 1.1 Trọng lợng riêng của một số chất lỏng Tên chất lỏng Trọng lợng riêng, N/m 3 Nhiệt độ Nớc cất Nớc biển Dầu hoả Xăng máy bay Xăng thờng Dầu nhờn diezel Thuỷ ngân Cồn nguyên chất 9810 10000 - 10100 7750 - 8040 6380 6870 - 7360 8730 - 9030 8730 - 9220 132890 7750 - 7850 4 4 15 15 15 15 15 20 15 Lu ý : Khối lợng của chất lỏng là một đại lợng không thay đổi còn trọng lọng của chúng thì phụ thuộc vào vị trí của nó. http://www.ebook.edu.vn Trng i hc Nụng nghip H Ni Giỏo trỡnh K thut Thu khớ 10 1.3.4. Tính nén ép và tính giãn nở vì nhiệt - Tính nén đợc: biểu thị bằng hệ số nén đợc ( P ). Hệ số nén ép là số giảm thể tích tơng đối của chất lỏng khi áp suất tăng lên một đơn vị: dp dW W 1 p = (m 2 /N) (1- 3) trong đó: W - thể tích ban đầu của chất lỏng (m 3 ); dW - Số giảm thể tích khi áp suất tăng lên (m 3 ); dp - Lợng áp suất tăng lên (N/m 2 ). Ví dụ: hệ số P của nớc ở nhiệt độ 0 0 c đến 20 0 c có trị số trung bình là N/m 210000000 1 2 ; ở nhiệt độ 100 0 c, áp suất 500 at là 250000000 1 m 2 /N. - Tính gin nở vì nhiệt: Biểu thị bằng hệ số gin nở vì nhiệt ( t ), là số thể tích tơng đối của chất lỏng tăng lên khi nhiệt độ tăng lên 1 độ: dt dW W 1 t = (1/độ) (1- 4) Ví dụ: Trong những điều kiện thông thờng: Dầu hoả có t = 0,000 600 - 0,00800; Thuỷ ngân có t = 0,00018. Lu ý: Hệ số gin nở vì nhiệt lớn hơn nhiều so với hệ số nén đợc, song chúng đều là những trị số rất nhỏ mà trong một số tính toán thông thờng có thể bỏ qua. 1.3.5. Tính bốc hơi và độ hoà tan Đối với chất lỏng thành hạt nếu nhiệt độ sôi càng lớn thì độ bốc hơi giảm. Đối với hệ thống thuỷ lực độ bốc hơi đợc đặc trng bởi áp suất bo hoà P H . Trong điều kiện nhiệt độ không đổi, nếu áp suất bo hoà P H càng lớn thì độ bốc hơi càng lớn. Độ hoà tan đợc biểu diễn bởi công thức 2 1 n k p p k V V = Trong đó: V k thể tích của khí hoà tan trong điều kiện thờng; V n thể tích chất lỏng; k - độ hoà tan; p 1 và p 2 - áp suất khí trớc và sau khi hoà tan. Độ hoà tan ở 20 0 C của một số chất: Nớc Dầu xăng Dầu biến thế 0,016 0,127 0,083 . NễNG NGHIP H NI Pgs.ts. Hoàng đức liên Giáo trình Kỹ thuật Kỹ thuật Kỹ thuật Kỹ thuật Thuỷ khí Thuỷ khíThuỷ khí Thuỷ khí Hà nội 2007 http://www.ebook.edu.vn. của giáo viên và sinh viên thuộc ngành Kỹ thuật cơ khí nông nghiệp của các trờng đại học kỹ thuật, chúng tôi biên soạn cuốn giáo trình kỹ thuật Thủy khí