GIÁO TRÌNH CƠ LƯU CHẤT

GIÁO TRÌNH CƠ LƯU CHẤT HAY

TÓM TẮT BÀI GIẢNG CƠ LƯU CHẤT FLUID MECHANICS Giảng viên: Hùynh công Hoài – ĐH Bách Khoa Tp HCM M.E (AIT,Thailand), Ph.D (INPT,Pháp) (http://www.hcmut.edu.vn/~hchoai/baigiang) Tài liệu tham khảo Gíao trình lưu chất - Bộ môn Cơ lưu Chất B 3.Thủy lực đại cương – Nguyễn Tài, Tạ ngọc Cầu 4.Thủy lực ( Tâp I) Nguyễn văn Tảo , Nguyễn cảnh Cầm Tóm tắt giảng- Huỳnh công Hoài – 6.Applied Fluid Mechanics- Robert L Mott , Fourth edition , Macmillian Publishing Company, 1990 E-book : Fundamentals of fluid mechanics – Website: Chean Chin Ngo, Kurt Gramol Thời gian giảng dạy lý thuyết tập: 42 tiết Hình thức thi: t luận , mang tài liệu vào phòng thi Printed with FinePrint - CuuDuongThanCong.com purchase at www.fineprint.com Huỳnh công Hoài-BM Cơ lưu Chất ĐHBKtpHCM https://fb.com/tailieudientucntt Chương 1: MỞ ĐẦU www4.hcmut.edu.vn/~hchoai/baigiang I.GIỚI THIỆU MÔN HỌC CƠ LƯU CHẤT Đối tượng nghiên cứu : Lưu chất : chất lỏng chất khí nghiên cứu qui luật chất lỏng chất khí đứng yên chuyển động Tại phải nghiên cứu lưu chất ? - Phạm vi nghiên cứu : Kiến thức môn CLC ứng dụng nhiều lónh vực : + Nghiên cứu thiết kế phương tiện vận chuyển : xe hơi, tàu thủy, máy bay, hỏa tiển Nghiên cứu dòng qua xe chuyển động Lực cản lên tàu thủy Lực nâng máy bay Printed with FinePrint - CuuDuongThanCong.com purchase at www.fineprint.com Huỳnh công Hoài-BM Cơ lưu Chất ĐHBKtpHCM 1- https://fb.com/tailieudientucntt + Ứng dụng lónh vực xây dựng cấp, thoát nước, công trình thủy lợi (cống, đê, hồ chứa, nhà máy thủy điện ), tính toán thiết kế cầu, nhà cao tầng Nghiên cứu gió tác dụng lên nhà cao tầng Đập tràn Trị An Nghiên cứu xói lở sông Nghiên cứu dòng chảy qua dây cáp cầu treo + Tính toán thiết kế thiết bị thủy lực : máy bơm, tua bin, quạt gió, máy nén Máy bơm Con đội + Ứng dụng khí tượng thủy văn : dự báo bão, lũ lụt , Dự báo bão Printed with FinePrint - CuuDuongThanCong.com purchase at www.fineprint.com Dự báo bão Katrina Huỳnh công Hoài-BM Cơ lưu Chất ĐHBKtpHCM 1- https://fb.com/tailieudientucntt + Ứng dụng y khoa: mô tuần hoàn máu thể, tính toán thiết kế máy trợ tim nhân tạo Đo huyết áp II CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA LƯU CHẤT: 2.1 KHỐI LƯNG – TRỌNG LƯNG Khối lượng (KL) đại lượng không thay đổi theo không gian Trọng lượng (TL) = KL x g (gia tốc trọng trường ) => thay đổi theo g Đơn vị : Trọng lượng Khối lượng N (kgm/s2) Kg Kgf (9,81 N) (kilogam lực) Tf (1000 Kgf) (Tấn lực) - Khối lượng riêng (ρ) Đơn vị : Ví dụ : Trọng lượng riêng (γ) kg/m3 ρnước N/m3 : 1000 kg/m3 ρkhông khí : 1,228 kg/m3 γnước : 9810 N/m3 γkhông khí : 12,07 N/m3 - Tỉ trọng : δ = ρ /ρnước = γ /γnước Ví dụ : δnước = 1, Printed with FinePrint - CuuDuongThanCong.com purchase at www.fineprint.com δthuûy ngân = 13,6 Huỳnh công Hoài-BM Cơ lưu Chất ĐHBKtpHCM 1- https://fb.com/tailieudientucntt 2.2 TÍNH NHỚT CỦA LƯU CHẤT (Viscosity) Quan sát dòng chảy : Newton τ =μ τ Trong : τ : ứng suất ma sát (N/m2) μ : hệ số nhớt động lực u : vận tốc, phụ thuộc vào y Đơn vị μ : Pa.S Đơn vị chuẩn : Ngoài : poise , poise = 0,1 Ngoài hệ số động lực, người ta sử dụng hệ số nhớt động học , định nghóa μ υ= ρ Đơn vị : m2/s hay stoke , stoke = 1cm2 /s = 10-4 m2/s Tính chất hệ số nhớt: Chất lỏng: nhiệt độ tăng hệ số nhớt giảm Hệ số nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ : Hệ số nhớt phụ thuộc vào áp suất: Chất khí: nhiệt độ tăng hệ số nhớt tăng Chất lỏng: áp suất tăng hệ số nhớt tăng Chất khí : hệ số nhớt không thay đổi áp suất thay đổi Chất lỏng Newton phi Newton Hầu hết loại lưu chất thông thường nước, xăng, dầu … thỏa mãn công thức Newton (1) , 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 Lưu chất lý tưởng lưu chất thực Lưu chất lý tưởng: ma sát Lưu chất lý th c: có ma sát Printed with FinePrint - CuuDuongThanCong.com purchase at www.fineprint.com Huỳnh công Hoài-BM Cơ lưu Chất ĐHBKtpHCM 1- https://fb.com/tailieudientucntt 2.3 TÍNH NÉN CỦA LƯU CHẤT : Moduyn đàn hồi: =ρ hay =− ρ ( M = ρV => dM = ρdV +Vdρ = 0) h i K : moduyn V : th tích ban u Knước = 2,2 109 N/m2 Đối với chất khí lý tưởng : p = ρ RT Với : p : áp suất tuyệt đối (N/m2 ) ρ : khối lượng riêng R : số khí, phụ thuộc vào loại khí T : nhiệt độ tuyệt đối ( nhiệt độ Kelvin , 0o C = 273 độ Kelvin) - Hầu hết loại chất lỏng khó nén nên xem lưu chất không nén - Một dòng khí chuyển động với vận tốc nhỏ thay đổi khối lượng riêng không đáng kể nên xem lưu chất không nén Từ phương trình p : áp suất tuyệt đối V : thể tích pV = const Một thùng gas tích V1, áp suất p1 thùng tích V2,p2 Thùng chứa gas nhiều ? ρ ρ ρ = ρ = ρ = = ρ Δ ρ Δ Printed with FinePrint - CuuDuongThanCong.com purchase at www.fineprint.com Huỳnh công Hoài-BM Cơ lưu Chất ĐHBKtpHCM 1- https://fb.com/tailieudientucntt 2.4 ÁP SUẤT HƠI BÃO HÒA VÀ HIỆN TƯNG KHÍ THỰC: Trong không gian kín, phần tử chất lỏng bốc hới đạt đến trạng thái bão hoà tạo áp suất khoảng không gian kín gọi áp suất bão hòa ¾Áp suất bão hoà tăng theo nhiệt độ Ví dụ 32,20C, pbão hoà nước 0,048at 1000C, pbão hoa nước 1at ¾Khi áp suất chất lỏng ≤ Áp suất bão hoà ⇒ chất lỏng bắt đầu sôi (hoá khí) Ví dụ cho nước sôi 32,20C hạ áp suất xuống 0,048at ¾Trong số điều kiện cụ thể, tượng khí thực (cavitation) xảy áp suất chất lỏng nhỏ Pbão hoà ¾Trong số điều kiện cụ thể, tượng khí thực (cavitation) xảy áp suất chất lỏng nhỏ áp su t bão hoà Mặt cánh máy bơm bị xâm thực tượng khí thực xảy 2.5 SỨC CĂNG MẶT NGOÀI VÀ HIỆN TƯNG MAO DẪN (Xem tài liệu tham khaûo) Printed with FinePrint - CuuDuongThanCong.com purchase at www.fineprint.com Huỳnh công Hoài-BM Cơ lưu Chất ĐHBKtpHCM 1- https://fb.com/tailieudientucntt CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM Câu Một dòng chảy có biểu đồ phân bố vận tốc tuyến tính hình vẽ ứng suất ma sát phần tử AB là: A a) Lớn A b) Lớn B c) Đều tất điểm AB B d) Đều không tất điểm AB Câu Một dòng chảy có biểu đồ phân bố vận tốc hình vẽ ứng suất ma sát phần tử AB là: a) Nhỏ A b) Lớn A c) Nhở B d) Cả điều sai Câu Một lưu chất có môduyn đàn hồi nhỏ thì: a ) Khó nén b) Dễ nén c) Khả đàn hồi d) Cả b) c) Câu Một khối khí lý tưởng có khối lượng Mo áp suất po Nếu áp suất tăng đến p1 > po điều kiện nhiệt độ không đổi khối lượng khối khí (M1) điều kiện áp suất p1 : a) M1 = Mo b) M1 > Mo c) M1 < Mo d) Chưa thể biết phụ thuộc vào moduyn đàn hồi lớn hay nhỏ Câu 5: Sự ma sát phần tử chất lỏng chuyển động phụ thuộc vào: a) Sự phân bố vận tốc dòng chảy b) c) p suất dòng chảy Tính chất chất lỏng d) Cả a) b) Printed with FinePrint - CuuDuongThanCong.com purchase at www.fineprint.com Huỳnh công Hoài-BM Cơ lưu Chất ĐHBKtpHCM 1- https://fb.com/tailieudientucntt Câu : Một khối chất lỏng tích không đổi, đặt mặt đất mặt trăng : a) Trọng lượng không đổi b) Trọng lượng riêng không đổi c) Tỉ trọng không đổi d) Cả a) b) Câu Khi giảm nhiệt độ ma sát phần tử lưu chất chuyển động: a) Luôn giảm chất lỏng b) Luôn giảm chất khí c) Luôn giảm cho tất loại lưu chất d) Cả sai Câu Hệ số nhớt động lực học lưu chất thỉ : a) Một số có thứ nguyên b) Phụ thuộc vào trạng thái chảy c) Phụ thuộc vào nhiệt độ d) Cả a) c) Câu Khối lượng riêng chất khí : a) Thay đổi gia tốc trọng trường thay đổi c) Sẽ giảm áp suất tăng chất khí lý tưởng b) Sẽ tăng áp suất tăng d) Cả a) b) Câu 10 Một dòng chảy có biểu đồ phân bố vận tốc hình bên Ứùng suất ma sát (τ) điểm A,B,C là: b) τC < τA < τB a) τA < τB < τC c) τB = τC < τA d) τC < τB < τA Printed with FinePrint - CuuDuongThanCong.com purchase at www.fineprint.com • • • Huỳnh công Hoài-BM Cơ lưu Chất ĐHBKtpHCM 1- https://fb.com/tailieudientucntt Ví dụ1 : Một thang máy trược phẳng có kích thước hình vẽ Xác định lực ma sat thang máy chuyển động với vận tốc Vo = 0,5 m/s Biết dầu bôi trơn có độ nhớt động lực μ =9.10-2 Ns/m2 = τ =μ h=3m =μ =μ =μ t=0,5cm b= m = 9.10-2 0,5/0,005*2*2*3 b= m = 108 N Ví dụ 2: 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 Q1 < Q3 => Q1 = Q3 => Z1 l3; d3; n3 Toån thất ống Z2 − = = − = = = ống dòng chảy từ J bồn ống dòng chảy từ bồn J ống dòng chảy Printed with FinePrint - CuuDuongThanCong.com purchase at www.fineprint.com Huỳnh công Hoài-BM Cơ lưu Chất ĐHBKtpHCM 4- https://fb.com/tailieudientucntt Hj l1; d1; n1 Q1 Mặt chuẩn Z2 l2; d2; n2 Z1 Q2 J Q3 l3; d3; n3 Thí dụ trường hợp xảy ra, Q1 > Q3 Tổn thất ống : Tổn thất ống Tổn thất ống − = − = = Printed with FinePrint - CuuDuongThanCong.com purchase at www.fineprint.com − = = − = Huỳnh công Hoài-BM Cơ lưu Chất ĐHBKtpHCM 4- https://fb.com/tailieudientucntt Đề ĐỀ ÔN THI CƠ LƯU CHẤT (Dùng cho SV Tại Chức Tỉnh -Thời gian 90 phút – SV xem tài liệu) Bài 1: Hai bình hình 1, bình chứa khí dầu (tỉ trọng δ = 0,8), có áp kế thông với bình Bình chứa khí có gắn áp kế thủy ngân (δHg = 13,6) thông với khí trời Biết áp suất dư khí bình thứ po = 45 cm Hg, h1 = 0,5 m h2 = m, xác định: p suất khí bình thứ bình Khí p0 (66708 N/m2) Bình 2 Chiều cao X dầu (0,15 m) Dầu (0,8) h1 Nếu bình bị thủng không khí có h2 X thể chui vào chiều cao h1 X có Bình khí thay đổi không ?, có Hình có giá trị ? (8,65 m) Bài 2: Một máng nước kín hình tam giác cân hình 1, chứa nước đến p0 chiều sâu h = 1,5 m Nếu máng có chiều dài (thẳng góc với trang giấy) L o A = 10 m, góc α=45 : F F Vẽ biểu đồ phân bố áp suất dư mặt OA OB Xác định áp lực F (cường độ điểm đặt) nước tác dụng lên mặt bên OA OB máng Hình α Bài : Thùng chứa nước (hình 3) gắn vòi có đường kính d O = 4cm, khoảng cách từ miệng vòi đến mặt thoáng H = 1,5m áp P o suất dư mặt thoáng po = 10000 N/m2 Bỏ qua tất tổn thất Xác định chiều cao h nước phun lên chưa có máy bơm H Nếu ngưới ta muốn tăng chiều cao cột nước phun lên gấp lần h cần gắn máy bơm có công suất ? Cho hiệu suất bơm 85 % Bài : Một thùng chứa cấp nước cho xe bồn qua ống ngắn hình vẽ ng có đường kính D = 10 cm chiều dài L = 0,5 m Hình cuối ống vòi có đường kính miệng d = cm Biết hệ số tổn thất cục sau : (i) chỗ vào ống ξvào = 0,5, (ii) tạïi van ξvan = 5, (iii) chỗ uốn cong 90o, ξcong = bỏ qua tổn thất miệng vòi Xem tổn thất dọc đường không đáng kể Nếu lưu lượng chảy khỏi ống Q = 806 lít/ phút, xác định tổng tổn thất cục ống (ĐS 1,12 m) Xác định chiều cao mực nước H thùng cần thiết để nước chảy khỏi ống với lưu lượng (H = 3m ) Nếu thay nước dầu có tỉ trọng nhỏ thùng chứa dầu độ cao H câu lưu lượng dầu chảy khỏi ống có 806 lít/phút hay không ? Tại ? H van B h h Bơm D L Vòi d Hình Xe bồn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đề ĐỀ ÔN THI CƠ LƯU CHẤT (Dùng cho SV Tại Chức Tỉnh -Thời gian 90 phút – SV xem tài liệu) Bài 1: Một bình kín úp ngược vào nước hình 1, phía thông với áp kế thủy ngân Biết R = 170 cm, L = 25m tỉ trọng thủy ngân δ = 13,6 Xác định mực nước h dâng lên bình (Ds:1.88m) Bài 2: Cửa van chắn nước hình 2, có chiều dài (thẳng góc với trang giấy) L = m, độ sâu h = 2m, cửa van cao a = 5m đáy b = 2m Vẽ biểu đồ phân bố áp suất AB BC (ĐS: F1=441,45KN, F2=274,68KN, d1=2,073m) Xác định áp lực nước ( cường độ điểm đặt ) tác dụng lên AB BC R h Hg L Khí trời A Nước a khí C B h b Hình Hình Bài 3: Một thùng kín chứa nước có lỗ tháo đường kính d = cm, cách mặt thoáng đoạn h = m (hình 3) Bỏ qua tổn thất co hẹp lỗ, muốn lưu lượng thoát Q = 12 lit/s áp suất p bình phải ? Bài 4: Một đường ống rẽ nhánh hình có đường kính ống AB ống rẽ nhánh AmB loại vật liệu, d = 20 cm độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm ng AB dài 150 m ống nhánh AmB dài 200m Biết dòng chảy ống chảy rối thành hoàn toàn nhám lưu lượng ống AB Q1 = 40 lít/s Xác định tổn thất dọc đường ống Xem tổn thất cục ống nhánh AmB 0,2 m, xác định lưu lượng Q2 ống nhánh lưu lượng tới Q p Q1 Q A nước B h m d Hình Q2 Hình CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đề ĐỀ ÔN THI CƠ LƯU CHẤT (Dùng cho SV Tại Chức Tỉnh -Thời gian 90 phút – SV xem tài liệu) Bài 1: Một hệ thống trạng thái tónh hình Biết áp suất dư po=1200 N/m2, h1 = 0,5m, trọng lượng riêng chất lỏng γ1 = 9810 N/m3 γ2 = 8100 N/m3 a) Tìm áp suất khí ống b) Xác định khoảng cách h2 Bài 2: Một nắp đậy có tiết diện hình tròn đường kính D = 0,5 m nối với bình chứa nước hình Bình có chiều cao h = 1,5m, mặt thoáng tiếp xúc với khí trời a) Tìm áp suất dư trọng tâm nắp (ĐS : 17167,5 Pa) b) Tính áp lực nước tác dụng lên nắp (ĐS: 3369,12 N) c) Xác định điểm đặt lực (ĐS: yD = 1,76 m) Khí po h2 h Nắp h1 γ2 D γ1 Hình Hình Bài :Một tuabin dùng để phát điện đặt hồ chứa hình vẽ Khoảng cách từ mặt nước đến miệng ống xả H = 50 m, đường kính ống xả D = 1m nước chảy ngồi khơng khí Bỏ qua tổn thất lượng: 1.Nếu vận tốc miệng ống xả V = 6m/s, cơng suất phát điện tuabin bao nhiêu, biết hiệu suất ηt = 65% ? 2.Nếu khơng có tuabin mà lắp ống xả có đường kính D = 1m, lưu lượng tháo bao nhiêu? (ĐS: 1) 1447,3 KW 2) 24,6 m3/s) Bài 4: Một đường ống dẫn nước vào bồn chứa có gắn ống đo áp hình vẽ Biết chiều dài L = 25m đường kính ống D = cm, độ sâu H =2,5m , ống chảy với vận tốc V = 4,5 m/s Nếu dòng chảy ống chảy rối khu vực thành hồn tồn nhám ống có độ nhám tuyệt đối ε = 0,1 mm, hệ số thất cục từ ống vào bồn ζv = Xác định: Tổn thất ống có chiều dài L Chiều cao h nước ống đo áp (ĐS: 1) 12,09m, 2) 14,15 m) H D Áp suất khí ống đo áp Hình tuabin Hình h V V D H L CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đề ĐỀ ÔN THI CƠ LƯU CHẤT (Dùng cho SV Tại Chức Tỉnh -Thời gian 90 phút – SV xem tài liệu) Bài : Một hệ thống hình trạng thái tónh Biết tỉ trọng dầu δd = 0,8 thủy ngân δHg = 13,6 Chieàu cao h1 = 0,5 m , h2 = 0,8 m, h3 = 0,2 m vaø h4 = 0,6m Xác định áp suất dư tuyệt đối : Điểm A, B Nếu người ta gắn áp kế đo áp suất dư mm Hg C gía trị bao nhiêu? Bài 2: Một cửa van hình chữ nhật có bề rộng ( thẳng góc với trang giấy) b = 3m, dài L = m nghiêng góc α = 30o hình Vẽ biểu đồ phân bố áp suất nước tác dụng lên mặt van Xác định áp lực nước tác dụng lên van Xác định vị trí điểm đặt áp lực nước lên van Nếu van quay quanh O trọng lượng van đặt trọng tâm van ( L/2) để cân van cần có trọng lượng ? Bài 3: Một bình có đục lỗ, lỗ cách mặt thoáng h = 1,8 m có đường kính d = cm lỗ nằm ỡ đáy cách mặt thoáng H = m Xem dòng chảy qua lỗ co hẹp Xác định lưu lượng chảy lỗ có đường kính d = cm mực nước H không đổi (ĐS:17 lít/s) Nếu người ta cho vào bình lưu lượng Q = 34,5 lít/s, muốn cho mực nước bình giữ độ sâu H không đổi đøng kính lỗ đáy phải ? (ĐS: D = 5,97 cm) Bài Đểã dẫn nước từ Qui Nhơn huyện Hoài Ân, người ta dùng đường ốáng có đường kính D = 25 cm sắt có độ nhám tuyệt đối ε = 0,1 mm, dài L = 100 km hình Biết mực nước bể chứa Qui Nhơn Hoài n ngang 1.Nếu máy bơm nước đường ống có chảy không chảy thỉ chảy theo hướng ? Tại ? 2.Để đưa nước từ Qui Nhơn Hoài n với lưu lượng Q = 20 lít /s ngưởi ta gắn máy bơm hình vẽ, xem dòng chảy ống chảy rối thành hoàn toàn nhám bỏ qua tổn thất cục a Xác định tổn thất lượng dọc đường đường ống (ĐS: λ=0,016, hd = 52,2m) b Xác định công suất máy bơm cần lắp đặt biết hiệu suất máy bơm η = 85 % (ĐS:12Kw) C Dầu h3 B Q A h4 h2 h1 L h α Nước Nước Thủy ngân O H h d Hình Hình Hình Hoài Ân Qui Nhơn Bơm L, D Hình CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đề ĐỀ ÔN THI CƠ LƯU CHẤT (Dùng cho SV Tại Chức Tỉnh -Thời gian 90 phút – SV xem tài liệu) Bài 1: Một bình dùng để đo tỉ trọng chất lỏng hình Trong bình chứa đầy nước tích Vo cổ bình có tiết diện A Khi đặt bình chất lỏng có trọng tỉ trọng δ < bình cân bằng, chiều cao mực nước bình thấp mặt thoáng đoạn h Nếu δ =1 δ > h nào, giải thích sao? Khi δ