Bài giảng Cơ lưu chất - Chương 1: Giới thiệu môn học Cơ lưu chất. Nội dung chính trong chương này: Giới thiệu môn học Cơ lưu chất, các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất; các lực tác dụng trong lưu chất. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết.
TS Nguyễn Thò Bảy - ĐHBK HCM -Bài Giảng CLC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU MÔN HỌC CƠ LƯU CHẤT Đối tượng nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu : chất lỏng chất khí qui luật lưu chất trạng thái tónh động Mục tiêu nghiên cứu : Nhằm phục vụ nhiều lónh vực : ¾Thiết kế phương tiện vận chuyển : xe hơi, tàu thủy, máy bay, hỏa tiễn ¾Xây dựng: cấp, thoát nước, công trình thủy lợi (cống, đê, hồ chứa, nhà máy thủy điện ), tính toán thiết kế cầu, nhà cao tầng… ¾Thiết kế thiết bò thủy lực : máy bơm, tua bin, quạt gió, máy nén ¾Khí tượng thủy văn : dự báo bão, lũ lụt , ¾Y khoa: mô tuần hoàn máu thể, tính toán thiết kế máy trợ tim nhân tạo ¾Trong sống ngày, cần nhiều kiến thức CLC Ví dụ: Lực hút hai doàn tàu chạy song song nhau, nồi áp suất,… Phân biệt lưu chất : ¾Lực liên kết phân tử nhỏ → Có hình dạng phụ thuộc vào vật chứa ¾Không chòu tác dụng lực cắt, lực kéo → Lưu chất môi trường liên tục ¾Dưới tác dụng lực kéo → Lưu chất chảy (không giữ MỞ ĐẦU TS Nguyễn Thò Bảy - ĐHBK HCM -Bài Giảng CLC II CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA LƯU CHẤT 2.1 Khối lượng riêng, trọng lượng riêng, tỷ trọng, thể tích riêng: ρ n = 1000kg / m ∆M Ví (kg / m ) ρ = lim ¾Khối lượng ∆V → ∆V ρ kk = 1,228kg / m dụ: riêng: γ = ρg ( N / m ); (kgf / m ); 1kgf = 9,81N ¾Trọng lượng riêng: γ = 9,81.103 ( N / m ) n ρ ρn ¾Tỷ trọng: δ= ¾Thể tích riêng: V= Nếu xem g=const thì: ρ F*:Lực hút trái đất (F*s,F*n) F: Lực ly tâm (Fs,Fn) F*n- Fn= G: lực trọng trường = Mg Tại xích đạo (ϕ=00): g=9,780 m/s2 Tại vó tuyến ϕ=500 : g=9,810 m/s2 Tại vùng cực: g=9,832 m/s2 g thay đổi theo chiều cao z, z lớn, g giảm lực hút trái đất lên vật giảm 2.2 Tính nén được: Đối với chất lỏng: δ= γ γn Sự thay đổi g theo vó độ độ cao: n n F F F*s F F n F n F F* F* s F*n s s Sơ đồ lực hút Trái đất, lực ly tâm trọng lực Hệ số nén βp: Suất đàn hồi K: βp = − dV / V0 dp K = − V0 dp dV Hay: K =ρ dp dρ Knước = 2,2 109 N/m2 ¾K thường dùng cho chất lỏng, số, phụ thuộc vàp áp suất nhiệt độ ¾Hầu hết loại chất lỏng khó nén nên xem lưu chất không nén ¾Một dòng khí chuyển động với vận tốc nhỏ thay đổi khối lượng riêng không đáng kể nên xem lưu chất không nén ¾Khi dòng khí chuyển động với vận tốc lớn 0,3 lần vận tốc âm (khoảng 100 m/s) thi xem lưu chất nén Đối với chất khí, xem khí lý tưởng: pV = RT ¾Trong trường hợp khí nén đẳng nhiệt: pV = const Hay: p = ρ RT Lưu ý: Trong công thức trên, áp suất p áp suất tuyệt đối MỞ ĐẦU TS Nguyễn Thò Bảy - ĐHBK HCM -Bài Giảng CLC Ví dụ 1: Nồi áp lực gồm phần trụ tròn có đường kính d=1000mm, dài l=2m; đáy nắp có dạng bán cầu Nồi chứa đầy nước với áp suất p0 Xác đònh thể tích nước cần nén thêm vào nồi để tăng áp suất nồi từ p0=0 đến p1=1000at Biết hệ số nén nước βp=4,112.10-5 cm2/kgf=4,19.10-10 m2/N Xem bình không giản nở nén Giải: Gọi V0 ; p0 thể tích áp suất nước trạng thái đầu; để sau nén có: V1 ; p1 thể tích áp suất nước trạng thái sau; Như sau nén thêm nước vào, thể tích nước V1 bình thể tích bình: ⎛d⎞ ⎛d⎞ V1 = π ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ π l = 2.094395m 3 ⎝2⎠ ⎝2⎠ l d Ta coù: βp = − β p ∆ p.V1 ∆ V / V0 ∆ V /( V1 − ∆ V ) =− ⇒ ∆V = ∆p ∆p β p ∆p − Thế số vào ta : ∆ V = V1 - V0 = -89.778lít Vậy cần nén thêm vào bình 89.778 lít nước Ví dụ 2: Giải: Dầu mỏ nén xi lanh thép thành dày tiết diện hình vẽ Xem thép không đàn hồi Cột dầu trước nén h=1,5 m, mực thuỷ ngân nằm vò trí A-A Sau nén, áp suất tăng từ at lên 50 at, mực thuỷ ngân dòch chuyển lên khoảng ∆h=4 mm Tính suất đàn hồi dầu mỏ nước Thép Hg βp = − ∆V / V0 S.∆h / S.h ∆h =− = = 5.44E-10 ∆p ∆p ∆p.h ⇒K = = 1.84E+ 09 βp N/m2 MỞ ĐẦU m2 / N A A Dầu mỏ h TS Nguyễn Thò Bảy - ĐHBK HCM -Bài Giảng CLC Ví dụ 3: Một bình thép tích tăng 1% áp suất tăng thêm 70 MPa Ở điều kiện chuẩn, bình chứa đầy nước 450 kg ( ρnước=1000kg/m3) Biết Kn=2,06.109 Pa Tìm khối lượng nước cần thêm vào (ở điều kiện chuẩn) để tăng áp suất bình lên 70 MPa Giải cách 1: 450 = 45 m 1000 0,45 m3 thể tích nước ban đầu bình đ.k chuẩn VB = Thể tích bình lúc đầu VB tính sau: Gọi V0 ; p0 thể tích áp suất nước trạng chuẩn; để sau nén trở thành V1 ; p1 (là thể tích áp suất nước trạng thái sau); Ta co thể lý luận V1 thể tích bình lúc sau: Ta có: V1 = VB + 1% VB = 0.4545m ∆p K.V1 K = −V0 ⇒ V0 = = 0.470487m3 (V1 − V0 ) K − ∆p Như vậy, thể tích nước cần nén thêm vào bình (tính với điều kiện chuẩn): là: ∆ V = V0 - VB = ,470487 − ,45 = 0.020487m Tương ứng với khối lượng: ∆M = 20.48744kg Ví dụ 3: Một bình thép tích tăng 1% áp suất tăng thêm 70 MPa Ở điều kiện chuẩn, bình chứa đầy nước 450 kg ( ρnước=1000kg/m3) Biết Kn=2,06.109 Pa Tìm khối lượng nước cần thêm vào (ở điều kiện chuẩn) để tăng áp suất bình lên 70 MPa Giải cách 2: 450 = 0.45m3 1000 Gọi V0 ; p0 thể tích áp suất nước bình trạng ban đầu; V0=VB V1 ; p1 thể tích áp suất nước nước bình trạng thái sau; Như sau nén bình rỗng thể tích là: Thể tích bình lúc đầu VB tính sau: VB = ∆V1 = (V0 - V1 ) +1%VB = −∆V +1%VB − V0 ∆p V ∆p ∆p ⇒ ∆V = ⇒ ∆V1 = +1%VB = 0.019791m3 K K ∆V ∆V1 laø thể tích phần rỗng mà ta cần bổ sung nước thêm vào bình ứng với áp suất p1 Để tính thể tích nước ∆V0 tương ứng với điều kiện áp suất p0, ta cần tính lại lần qua suất đàn hồi K: ∆p K.∆V1 K = −∆V0 ⇒ ∆V0 = ⇒ ∆V0 = 0.020487m ∆V1 − ∆V0 K − ∆p Như vậy, thể tích nước cần nén thêm vào bình (tính với điều kiện chuẩn p0) : là: Ta có: K = −V0 ∆V0 = 0.020487m Tương ứng với khối lượng: ∆ M = 20.48744kg MỞ ĐẦU TS Nguyễn Thò Bảy - ĐHBK HCM -Bài Giảng CLC Ví dụ 4: Nén khí vào bình thép tích 0,3 m3 áp suất 100at Sau thời gian bò rò, áp suất bình lại 90 at Bỏ qua biến dạng bình Tìm thể tích khí bò rò ứng với đ kiện áp suất khí trời pa=1at Xem trình nén đẳng nhiệt Giải Gọi V0 ; p0 thể tích áp suất khí bình trạng chuẩn ban đầu; V1 ; p1 thể tích áp suất khối khí trạng thái sau; Ta coù: V0 p = V1p1 ⇒ V1 = V0 p = 0.333333m p1 (V1-V0)=∆V thể tích khí bò (vì bình chứa lại V0), ứng với áp suất 90 at : Để tính thể tích khí ∆Va tương ứng với điều kiện áp suất pa, ta cần tính lại lần : ∆Va = ∆V.p1 = 3m pa Ví dụ 4a: (xem Baitáp+2.xls, SV tự giải) Một bình gas ban đầu có khối lượng M = 15 kg có áp suất dö po = 500 kPa Sau thời gian sử dụng , ấp suất dư bình lại p = 300 Kpa Biết vỏ bình gas có khối lượng kg không bị thay đđổi áp suất thay đổi Tính khối lượng gas sử dụng thời gian treân M p0,Kpa p1, Kpa Mvo Mgaz0 Mgaz1 Mgazsudung 15 500 300 10 6.656078 3.34392242 MỞ ĐẦU TS Nguyễn Thò Bảy - ĐHBK HCM -Bài Giảng CLC 2.3 Tính nhớt: n τ ="−" µ du dn Chất lỏng Newton chảy tầng ⇒ Đònh luật ms nhớt Newton: µ : [kg /(m s ); N /(sm ); Pa s, poise ];1poise = 0,1kg /(m s ) u µ ν = : [m / s; stokes ];1st = 10 − m / s ρ A Fms = τA µ giảm µ tăng µ tăng µ không đổi Ví dụ 5: Ne wt o n to w Ne c l Ph i l.c Hầu hết loại lưu chất thông thường nước, xăng, dầu … thỏa mãn công thức Newton, nhiên có số chất lỏng (hắc ín, nhựa nóng chảy, dầu thô ) không tuân theo công thức Newton gọi chất lỏng phi Newton, chất lỏng thông thường chảy trạng thái chảy rối không tuân theo công thức Newton am h ing B l.c n τ Ne wt on Chaát lỏng Newton phi Newton nhiệt độ tăng nhiệt độ tăng p tăng p thay đổi Ph i Tính chất hệ số nhớt µ : Chất lỏng: Hệ số nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ Chất khí: Chất lỏng: Hệ số nhớt phụ thuộc vào áp suất: Chất khí : l.c Như lực ma sát nhớt tính l.c lý tưởng du/dn Đường ống có đường kính d, dài l, dẫn dầu với hệ số nhờn µ, khối lượng riêng ρ Dầu chuyển động theo quy luật sau: u=ady-ay2 (a>0; 0