Thủy lực đại cương - Chương 1

Thủy lực học là ngành kĩ thuật nghiên cứu về các vấn đề mang tính thực dụng bao gồm: lưu trữ, vận chuyển, kiểm soát, đo đạc nước và các chất lỏng khác.Thủy lực có phương pháp nghiên cứu dựa

Khoa Xáy Dỉûng Thy Låüi - Thy Âiãûn Bäü män: Cå Såí K Thût Thu Låüi CHỈÅNG I: MÅÍ ÂÁƯU *** ⇓1.1 ÂËNH NGHÉA MÄN HC, ÂÄÚI TỈÅÜNG V PHỈÅNG PHẠP NGHIÃN CỈÏU. I. Âënh nghéa män hc, phảm vi ỉïng dủng: II. Âäúi tỉåüng nghiãn cỉïu: III. Phỉång phạp nghiãn cỉïu män hc: ⇓1.2 NHỈỴNG TÊNH CHÁÚT VÁÛT L CÅ BN CA CHÁÚT LNG. I. Khäúi lỉåüng riãng ca cháút lng ρ II. Trng lỉåüng riãng ca cháút lng γ III. Tênh thay âäøi thãø têch do ạp lỉûc v nhiãût âäüü 1. Tênh thay âäøi thãø têch do ạp lỉûc 2. Tênh thay âäøi thãø têch do nhiãût âäü IV. Sỉïc càng bãư màût v hiãûn tỉåüng mao dáùn V. Tênh nhåït VI. Hai loải lỉûc tạc dủng lãn mäüt thãø têch cháút lng BI TÁÛP CHỈÅNG IBi ging Thy Lỉûc 1 Trang 1 Khoa Xáy Dỉûng Thy Låüi - Thy Âiãûn Bäü män: Cå Såí K Thût Thu Låüi CHỈÅNG 1 MMÅÅÍÍ ÂÂÁÁƯƯUU EELLEEMMEENNTTSS OOFF FFLLUUIIDD MMEECCHHAANNIICCSS ⇓1.1 ÂËNH NGHÉA MÄN HC, ÂÄÚI TỈÅÜNG V PHỈÅNG PHẠP NGHIÃN CỈÏU I. Âënh nghéa män hc, phảm vi ỉïng dủng: Âënh nghéa: Thy lỉûc l män khoa hc cå såí ỉïng dủng nhàòm nghiãn cỉïu nhỉỵng qui lût cán bàòng, chuøn âäüng ca cháút lng v ỉïng dủng nhỉỵng qui lût ny vo thỉûc tãú sn xút. Phảm vi ỉïng dủng: Thy lỉûc hc âỉåüc dng trong nhiãưu ngnh k thût nhỉ: thy låüi, giao thäng thy, cå khê, cáúp thoạt nỉåïc . II. Âäúi tỉåüng nghiãn cỉïu: L cháút lng, cọ tênh cháút: - Tênh chy Do lỉûc liãn kãút giỉỵa cạc pháưn tỉì cháút lng úu nãn cọ tênh di âäüng dãù chy hay nọi mäüt cạch khạc l nọ cọ tênh chy. Thãø hiãûn åí chäù: Cạc pháưn tỉí chuøn âäüng tỉång âäúi våïi nhau, cháút lng khäng cọ hçnh dảng riãng biãût m phủ thüc vo hçnh dảng ca bçnh chỉïa cháút lng. - Tênh khäng nẹn, khäng dn âỉåüc Do khong cạch giỉỵa cạc pháưn tỉí trong cháút lng nh so våïi cháút khê nãn sinh ra sỉïc dênh phán tỉí ráút låïn lm cho thãø têch cháút lng háưu nhỉ khäng âäøi khi cọ sỉû thay âäøi vãư ạp sút, nhiãût âäü. - Tênh liãn tủc Cháút lng âỉåüc xem nhỉ mäi trỉåìng liãn tủc, tỉïc l gäưm vä säú nhỉỵng pháưn tỉí cháút lng chiãúm âáưy khäng gian. Tỉì âọ xáy dỉûng âỉåüc cạc phỉång trçnh mä t åí dảng vi phán, têch phán. III. Phỉång phạp nghiãn cỉïu män hc: Cå såí l lûn ca män hc thy lỉûc l váût l, cå hc l thuút, cå hc cháút lng. Bn thán thy lỉûc hc lải l cå såí âãø nghiãn cỉïu nhỉỵng män chun män: - Xáy dỉûng cäng trçnh thy låüi: Thy âiãûn, thy cäng, trảm båm, kãnh dáùn - Xáy dỉûng dán dủng, cáưu cng, cáúp thoạt nỉåïc, cáưu âỉåìng . - Chãú tảo mạy thy lỉûc: båm, tc-bin, âäüng cå thy, truưn âäüng thy lỉûc . Bi ging Thy Lỉûc 1 Trang 2 Khoa Xỏy Dổỷng Thuớy Lồỹi - Thuớy ióỷn Bọỹ mọn: Cồ Sồớ Kyợ Thuỏỷt Thuyớ Lồỹi 1.2 NHặẻNG TấNH CHT VT LYẽ C BAN CUA CHT LONG I. Khọỳi lổồỹng rióng cuớa chỏỳt loớng - Laỡ khọỳi lổồỹng cuớa mọỹt õồn vở thóứ tờch chỏỳt loớng. WM= : khọỳi lổồỹng rióng, M: khọỳi lổồỹng cuớa thóứ tờch W, W: thóứ tờch coù khọỳi lổồỹng M. [][][][][][ ][] [ ]()[ ][ ][]4233LTFWaFLMWM=ì=== - - ồn vở cuớa laỡ: kg/m3, T/m3, g/cm3, NS2 /m4 - - 40c: nổồùc = 1000kg/m3 II. Troỹng lổồỹng rióng cuớa chỏỳt loớng - Laỡ troỹng lổồỹng cuớa mọỹt õồn vở thóứ tờch chỏỳt loớng WP= : Troỹng lổồỹng rióng, P : Troỹng lổồỹng cuớa khọỳi chỏỳt loớng coù thóứ tờch W, W : Thóứ tờch khọỳi chỏỳt loớng coù troỹng lổồỹng P. - Vồùi chỏỳt loớng õọửng chỏỳt thỗ troỹng lổồỹng rióng chờnh bũng: = ìg Vồùi g: gia tọỳc rồi tổỷ do. Vỗ P = Mìg nón: ì==ì== gWMgWgMWP Thổù nguyón cuớa troỹng lổồỹng õồn vở: [][][]3LF= ồn vở cuớa : N/m3, (Kg/S2)/m2. Baỡi giaớng Thuớy Lổỷc 1 Trang 3 Khoa Xáy Dỉûng Thy Låüi - Thy Âiãûn Bäü män: Cå Såí K Thût Thu Låüi ÅÍ 40C: γ nỉåïc = 1000kG/m3 = 9810N/m3 (1N = 0.102 KG)  T khäúi: L t säú giỉỵa khäúi lỉåüng riãng ca cháút lng våïi khäúi lỉåüng riãng ca nỉåïc åí t0 =40C.  T trng: L t säú giỉỵa trng lỉåüng riãng ca cháút lng våïi trng lỉåüng riãng ca nỉåïc åí t0 =40C. III. Tênh thay âäøi thãø têch do ạp sút v nhiãût âäüü: 1. Tênh thay âäøi thãø têch do ạp sút: - Khi ạp sút tàng tỉì P lãn P+dP thç thãø têch váût thãø gim tỉì W xúng W - dW. - Tênh nẹn ca cháút lng âỉåüc âàûc trỉng bàòng hãû säú co thãø têch βw, âãø biãøu thë sỉû gim tỉång âäúi ca thãø têch cháút lng W ỉïng våïi sỉû tàng ạp sút P lãn mäüt âån vë ạp sút. (NmdPdWWw21−=β) - Thỉûc nghiãûm chỉïng t: Trong phảm vi ạp sút thay âäøi tỉì 1 âãún 500 at v nhiãût âäü tỉì 0 âãún 200C thç βw = 0,00005 (cm2/KG) ≈ 0. Nhỉ váûy trong thy lỉûc cháút lng coi nhỉ khäng nẹn âỉåüc. - Âải lỉåüng nghich âo ca ca hãû säú co thãø têch gi l mä âun ân häưi K. dWdPWKw−=β=1 (N/m2) P+dPP W dWW-dW2. Tênh thay âäøi thãø têch do nhiãût âäü: - Khi thay âäøi nhiãût âäü dng hãû säú co gin vç nhiãût βt, âãø biãøu thë sỉû biãún âäøi ca thãø têch cháút lng W ỉïng våïi sỉû tàng nhiãût âäü t lãn 1oC. dtdWWT1=β - Thê nghiãûm cho tháúy: Trong âiãưu kiãûn ạp sút bàòng ạp sút khê tråìi Pa thç: Khi t = 4oC âãún 100C thç βT = 0,00014. t = 10oC âãún 200C thç βT = 0,00015. Nhỉ váûy:Trong thy lỉûc cháút lng coi nhỉ khäng co gin dỉåïi tạc dủng ca nhiãût âäü.  Tọm lải: Trong thy lỉûc, cháút lng thỉåìng âỉåüc coi l cọ tênh cháút khäng thay âäøi thãø têch màûc d cọ sỉû thay âäøi vãư ạp lỉûc hồûc nhiãût âäü tỉïc Tβ ≈0, wβ ≈0 IV. Sỉïc càng bãư màût v hiãûn tỉåüng mao dáùn: - Mäùi pháưn tỉí cháút lng chëu lỉûc hụt cán bàòng theo mi phêa tỉì cạc pháưn tỉí cháút lng khạc bao quanh nọ. Bi ging Thy Lỉûc 1 Trang 4 Khoa Xáy Dỉûng Thy Låüi - Thy Âiãûn Bäü män: Cå Såí K Thût Thu Låüi - - Tải màût thoạng hay màût tiãúp xục giỉỵa hai loải cháút lng khạc nhau, lỉûc hụt ny khäng cn cán bàòng - tải màût thoạng cạc pháưn tỉí trãn bãư màût bë kẹo vo bãn trong khäúi cháút lng, gi l sỉïc càng màût ngoi: -  lm cho bãư màût cháút lng giäúng nhỉ mäüt táúm mng mng chëu lỉûc càng. - - Sỉïc càng màût ngoi ráút nh so våïi cạc lỉûc khạc, cho nãn pháưn låïn cạc tênh toạn thy lỉûc ngỉåìi ta khäng xẹt âãún hiãûn tỉåüng náưy. V. Tênh nhåït - Khi cháút lng chuøn âäüng, giỉỵa chụng cọ sỉû chuøn âäüng tỉång âäúi, lm sinh ra lỉûc ma sạt trong. Âáy l ngun nhán sinh ra täøn tháút nàng lỉåüng khi cháút lng chuøn âäüng. Âàûc tênh ny gi l tênh nhåït. - Cäng do lỉûc nhåït sinh ra biãún thnh nhiãût nàng khäng thu häưi lải âỉåüc. Cạc lỉûc nhåït sinh ra cọ liãn quan âãún lỉûc hụt phán tỉí trong cháút lng. - Thê dủ vãư tênh nhåït: Khi ta âäø dáưu ha, nỉåïc l, dáưu nhåìn ra nãưn nh thç täúc âäü chy ca nọ khạc nhau. Âọ l do mäùi cháút lng cọ lỉûc dênh nhåït trong näüi bäü khạc nhau. - Newton â âỉa ra gi thiãút vãư quy lût ma sạt trong v â âỉåüc thỉûc nghiãûm xạc nháûn: ”Sỉïc ma sạt giỉỵa cạc låïp ca cháút lng chuøn âäüng thç t lãû våïi diãûn têch tiãúp xục ca cạc låïp áúy, khäng phủ thüc vo ạp lỉûc, m phủ thüc vo Gradient váûn täúc theo chiãưu thàóng gọc våïi phỉång chuøn âäüng v phủ thüc vo lai cháút lng”. dnduSFdnduSF×µ==τ××µ= Trong âọ: F: sỉïc ma sạt giỉỵa hai låïp cháút lng T: ỉïng sút tiãúp S: diãûn têch tiãúp xục u: váûn täúc, u= f(n) - qui lût phán bäú váûn täúc theo phng n. :dnduGradient váûn täúc theo phỉång n (âảo hm ca u våïi n). µ: hãû säú nhåït (hãû säú âäüng lỉûc nhåït), l hàòng säú tè lãû phủ thüc vo loải cháút lng. Ou uu+dududnnu=f(n) Biãøu âäư phán bäú váûn täúc Bi ging Thy Lỉûc 1 Trang 5 Khoa Xáy Dỉûng Thy Låüi - Thy Âiãûn Bäü män: Cå Såí K Thût Thu Låüi Thỉï ngun ca µ: [][][] [ ][ ][][ ][][ ][][]TLMLT.TL.MLTFLTLLFdnduSF2222===⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=µ Âån vë: N.s/m2 ; kg/s.m Tênh nhåït cn âỉåüc âàûc trỉng båíi hãû säú nhåït âäüng hc: ρµ=ν Thỉï ngun ca ν: - Âån vë: m2/s; cm2 /s. - Loải cháút lng tn theo âënh lût ma sạt trong ca Newton gi l cháút lng thỉûc hồûc cháút lng Newton. Män thy lỉûc nghiãn cỉïu cháút lng ny. - Cạc loải cháút lng nhỉ sån, häư khäng tn theo âënh lût ma sạt trong gi l cháút lng phi Newton. - Cháút lng l tỉåíng l cháút lng tỉåíng tỉåüng khäng cọ tênh nhåït. Tọm lải: Trong nhỉỵng âàûc tênh váût l cå bn nọi trãn ca cháút lng, âàûc tênh cọ khäúi lỉåüng, cọ trng lỉåüng, cọ tênh nhåït l nhỉỵng âàûc tênh quan trng nháút. VI. Hai loải lỉûc tạc dủng lãn mäüt thãø têch cháút lng Xẹt mäüt thãø têch cháút lng, chỉïa trong màût cong S. Nhỉỵng lỉûc tạc dủng lãn thãø têch cháút lng chia lm hai loải: + Lỉûc khäúi: L nhỉỵng lỉûc t lãû våïi khäúi lỉåüng cháút lng, tạc dủng lãn mäùi phán tỉí cháút lng nhỉ: Lỉûc quạn tênh, trng lỉûc, lỉûc âiãûn tỉì. Thäng thỉåìng lỉûc khäúi l trng lỉûc, trỉì mäüt säú trỉåìng håüp âàûc biãût phi xẹt thãm lỉûc quạn tênh. + Lỉûc bãư màût: L lỉûc tỉì ngoi tạc dủng lãn cạc pháưn tỉí cháút lng qua màût tiãúp xục, t lãû våïi diãûn têch màût tiãúp xục nhỉ: ạp lỉûc khê quøn tạc dủng lãn màût tỉû do ca cháút lng, ạp lỉûc piton lãn cháút lng chỉïa trong xy lanh, .  Vê dủ 1: a. Tçm sỉû thay âäøi thãø têch ca 1m3 nỉåïc åí nhiãût âäü 270C khi ạp sút gia tàng 21KG/cm2. (Cho K åí 270c l 22,90.103 KG/cm2) b. Theo nhỉỵng säú liãûu thỉûc nghiãûm sau âáy, xạc âënh mä âun ân häưi thãø têch ca nỉåïc. Våïi 35KG/cm2 thãø têch l 30 dm3 v våïi 250 KG/cm2 thãø têch l 29,70 dm3 Gii: a. Ta cọ : dW = - Wdp/ K = - 1. 21 .104/ 22,9. 107 = - 9,15.10-4 m3 b. Mä âun ân häưi thãø têch ca nỉåïc l : K = -Wdp / dW = -30.103.(250-35). 104/ (29,70-30).103 = 21,5. 107KG/m2 Vê dủ 2: Bi ging Thy Lỉûc 1 Trang 6 Khoa Xáy Dỉûng Thy Låüi - Thy Âiãûn Bäü män: Cå Såí K Thût Thu Låüi Xạc âënh lỉûc ma sạt tải màût trong ca mäüt äúng dáùn dáưu cọ âỉåìng kênh trong d=80mm, chiãưu di l=10m, nãúu lỉu täúc trãn màût càõt ngang ca äúng thay âäøi theo qui lût: u =25y - 312 y2, trong âọ y l khong cạch tênh tỉì màût trong ca äúng (0 ≤ y ≤ d/2). Hãû säú nhåït âäüng lỉûc ca dáưu µ =0,0599 N.s/m2. + Lỉu täúc låïn nháút ca dáưu trong äúng l bao nhiãu? + V biãøu âäư chè r qui lût phán bäú lỉu täúc trong äúng theo màût càõt ngang äúng. Gii: • Ta dng cäng thỉïc ca Newton âãø tênh lỉûc cn: dnduS.Fmsµ= ÅÍ âáy phỉång n chênh l phỉång y Tênh: udydu′= ( )y.y.y.u 62425312252−=′−=′ ()myuo251624250≈=→=′ umax tải y0 khi u’ =0, thay giạ trë y0 vỉìa tçm âỉåüc vo u: ()sm,umax506253121251312251252≈−=−= Tênh Fmasạt : S = l× π× d = 10× π× 0,08m = 2,512 m2 dydu: vç tçm ma sạt tải thnh äúng, nãn tải âọ y=0 2506242562425=×−=−=ydydu Thay vo: Fms = 0,0599× 2,512× 25 = 3,76 N • V biãøu âäư: Âáy l mäüt hm báûc hai våïi y Tải 0=′u()sm,umyymaxo50251==>==→ Tải thnh äúng y= 0 cọ u= 0 m/s. Nỉía kia ca äúng láúy âäúi xỉïng yu=25y-312y2l=10 m d/2uumaxBi ging Thy Lỉûc 1 Trang 7 Khoa Xáy Dỉûng Thy Låüi - Thy Âiãûn Bäü män: Cå Såí K Thût Thu Låüi BI TÁÛP CHỈÅNG I Bi 1: Äúng dáùn nỉåïc cọ âỉåìng kênh trong d=500mm v di l=1000m chỉïa âáưy nỉåïc åí trảng thại ténh dỉåïi ạp sút P0=4 at v nhiãût âäü to=5oC. B qua sỉû biãún dảng v nẹn, gin nåí ca thnh äúng. Xạc âënh ạp sút trong äúng khi nhiãût âäü nỉåïc trong äúng tàng lãn t1=150C, biãút hãû säú gin nåí do nhiãût âäü ca nỉåïc tβ=0,000014 v hãû säú nẹn =pβKG/cm2100012. Âạp säú: p sút ca nỉåïc trong äúng P=7 at. Bi 2: Âem thê nghiãûm thy lỉûc mäüt äúng cọ âỉåìng kênh d=400mm, chiãưu di l=2000mm, ạp sút nỉåïc trong äúng tàng lãn 45 at, sau gim xúng cn 40 at. Cho biãút βw =5,1.10-10 m2/N. B qua sỉû biãún dảng ca v äúng. Hi thãø têch nỉåïc rè ra ngoi l bao nhiãu? Âạp säú: W=62,8 dm∆3 Bi ging Thy Lỉûc 1 Trang 8 . = - Wdp/ K = - 1. 21 .10 4/ 22,9. 10 7 = - 9 ,15 .1 0-4 m3 b. Mä âun ân häưi thãø têch ca nỉåïc l : K = -Wdp / dW = -3 0 .10 3.(25 0-3 5). 10 4/ (29,7 0-3 0) .10 3. 62425 312 252−=′−=′ ()myuo2 516 24250≈=→=′ umax tải y0 khi u’ =0, thay giạ trë y0 vỉìa tçm âỉåüc vo u: ()sm,umax50625 312 12 513 122 512 52≈−=−=