Co Hoc Chat Long Va Khi

Ví dụ: Tìm hiểu cấu trúc của dòng chuyển động và tính toán phân bố của các thông số cơ bản như áp suất, vận tốc, nhiệt độ, khối lượng riêng; dòng chuyển động qua những cố thể rắn lực tác[r]

Cơ lưu chất – Fluid Mechanics Tài liệu tham khảo • Giáo trình lưu chất – Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM TS Lê Thị Hồng Hiếu – Bộ Môn Kỹ Thuật Hàng Không – Đại Học Bách Khoa Đề cương Chương 1: Chương 2: Chương 3: Chương 4: Chương 5: đồng dạng Chương 6: Chương 7: Mở đầu Tĩnh học lưu chất Động học lưu chất Động lực học lưu chất Phân tích thứ nguyên và Dòng chảy ống Thế lưu Chương 1: MỞ ĐẦU Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Các tính chất vật lý lưu chất 2.1 Khối lượng riêng – Trọng lượng riêng – Tỷ trọng 2.2 Tính nhớt 2.3 Tính nén 2.4 Áp suất bão hòa 2.5 Sức căng bề mặt và tượng mao dẫn 2.6 Phương trình trạng thái khí lý tưởng Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1.1 Mục đích môn học: là môn khoa học bản, nghiên cứu các quy luật chuyển động, cân lưu chất và các quá trình tương tác lực nó lên các vật thể khác  Các vấn đề nghiên cứu phạm vi môn học đa dạng có nhiều ứng dụng hoạt động người kỹ sư Ví dụ: Tìm hiểu cấu trúc dòng chuyển động và tính toán phân bố các thông số áp suất, vận tốc, nhiệt độ, khối lượng riêng; dòng chuyển động qua cố thể rắn (lực tác động gió lên tòa nhà cao tầng, lực và moment tác động trên máy bay….), tính toán đường ống dẫn dầu, dòng chuyển động qua quạt, máy bơm, máy nén…, điều khiển và ổn định dòng chuyển động  Cơ lưu chất là nhánh rẽ môn học tương tự môn sức bền vật liệu, học kết cấu, học đàn hồi, học đất Trong môn học lưu chất, chúng ta nghiên cứu đặc tính, ứng xử và diễn biến học môi trường vật chất riêng biệt – đó là lưu chất Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1.2 Đối tượng nghiên cứu- lưu chất là gì?  Phân biệt chất rắn- chất lỏng – chất khí Chất rắn Chất lỏng Chất khí Hình dạng Xác định Phụ thuộc vào hình dạng bình chứa Không xác định, chiếm toàn thể tích bình chứa Lực liên kết phân tử Rất lớn Yếu Rất yếu Ứng xử tác động lực • Đàn hồi, biến dạng hữu hạn • Chuyển động hạn chế phạm vi đàn hồi • • • Chịu biến dạng lớn không đàn hồi tác động lực nhỏ Biến dạng liên tục và không có khả chống lại thay đổi lực Chuyển động phức tạp: tịnh tiến và quay Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1.2 Đối tượng nghiên cứu- lưu chất là gì?  Chất lỏng và chất khí: lưu chất – môi trường liên tục, quan điểm này cho phép mô tả đặc trưng lưu chất (áp suất, vận tốc, nhiệt độ, khối lượng riêng ) điểm (x,y,z) thời điểm t tùy ý là các hàm liên tục  Tính chất ảnh hưởng rõ nét đến khác biệt chất khí và lỏng là tính nén – thay đổi khối lượng riêng Thông thường, chất lỏng là lưu chất không nén (khối lượng riêng là số) và chất khí là lưu chất dễ nén  Lý thuyết chất lỏng và chất khí tương tự cho trường hợp chuyển động với vận tốc thấp ảnh hưởng tính nén lưu chất có thể bỏ qua  Khi chuyển động vận tốc lớn (số Mach>0.3: vận tốc chuyển động lớn 0.3 lần vận tốc âm thanh), đặc tính chịu nén chất khí có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất dòng chuyển động chất khí nghiên cứu lý thuyết riêng: khí động lực học TYPES OF AERODYNAMIC FLOW AERODYNAMICS A Continuum flow B Low-density and freemolecule flows C Viscous flow D Inviscid flow E Incompressible flow F Compressible flow G Subsonic flow H Transonic flow I Supersonic flow J Hypersonic flow Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu- lưu chất nghiên cứu vấn đề gì?  Ứng xử lưu chất trạng thái tĩnh và động  Ứng xử và tương tác lưu chất và thành rắn/cố thể • Nội lưu: trường hợp lưu chất chứa đựng hay bao quanh thành rắn: bài toán chuyển động lưu chất, chuyển biến lượng dòng chuyển động thành hay nhiệt dạng khí nén, nước, nước nóng… • Ngoại lưu: trường hợp lưu chất bao quanh cố thể  Trường lưu chất phân chia thành phần tử đủ nhỏ để xem là đồng nhất, gọi là phần tử lưu chất Sự trao đổi và tương tác cấp độ phân tử các phần tử lưu chất kế cận: khối lượng, động lượng, lượng  Để diễn tả thành các phương trình các tượng trao đổi và tương tác trên, chúng ta dựa trên tảng các nguyên lý học cổ điển và nhiệt động lực học: • Định luật bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục) • Định luật bảo toàn động lượng (định luật II Newton) • Định luật bảo toàn lượng Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu- lưu chất nghiên cứu vấn đề gì?  Phương pháp giải tích: xây dựng sở lý thuyết dựa trên đặc tính hình học và các giả thiết tính toán (lưu chất không ma sát, không nén được…) để giải các phương trình bảo toàn lý thuyết nghiên cứu cổ điển, ứng dụng cho số vấn đề cụ thể  Phương pháp tính toán mô số: giải các phương trình bảo toàn cho các bài toán phức tạp mà phương pháp giải tích không thực nhờ phát triển mạnh mẽ máy tính và các công cụ tính toán  Phương pháp thực nghiệm: sử dụng kết thực nghiệm, phân tích tổng hợp để đưa các quy luật mô tả trạng thái và ứng xử lưu chất công thức thực nghiệm, bổ sung cho lý thuyết và giúp chúng ta kiểm chứng các lời giải phương pháp giải tích và phương pháp số The bigger picture – The three equal partner of modern aerodynamics Pure experiment Pure theory Computational Fluid Dynamics Các tính chất vật lý lưu chất 2.1 Khối lượng riêng – Trọng lượng riêng – Tỷ trọng  Khối lượng riêng ρ chất là mật độ khối lượng đơn vị thể tích chất đó m m mass  M kg   lim    3 V  V V [length  L ] m Trọng lượng riêng γ chất là lực trọng trường tác dụng lên khối lượng đơn vị thể tích chất đó γ =[kg/m3.m/s2]=[N/m3]  g g=9.81m/s2 – gia tốc trọng trường Tỷ trọng δ là tỷ số trọng lượng riêng γ chất với trọng lượng riêng nước điều kiện tiêu chuẩn (20 oC)     / H 2O Nước Thủy ngân Không khí ρ [kg/m3] 1000 13600 1.228 γ [N/m3] 9.81.103 133.103 12.07  Khối lượng riêng phụ thuộc vào trạng thái lưu chất: áp suất, nhiệt độ Các tính chất vật lý lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát lưu chất  Tính nhớt là tính chất đặc trưng cho lực cản ma sát chống lại chuyển động Đây là tính chất quan trọng thể lưu chất chuyển động (Động học lưu chất><Tĩnh học lưu chất) Để diễn tả tính chất này đại lượng vật lý, nhà khoa học COUETTE đã xây dựng thí nghiệm đo tính nhớt Các tính chất vật lý lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát lưu chất Thí nghiệm COUETTE  Phân tích thực nghiệm cho thấy, ứng suất (lực/một đơn vị diện tích) tỉ lệ thuận với vận tốc kéo U và tỉ lệ nghịch với khoảng cách h theo số tỉ lệ gọi là μ F U    A h Khi vận tốc dịch chuyển phẳng trên đủ nhỏ, lưu chất chuyển động mà không hòa trộn vào nhau, thành lớp mỏng song song với mặt phẳng – chuyển động tầng Lớp trên tương tác với lớp qua ma sát và truyền cho nó vận tốc giảm dần theo khoảng cách hai phẳng  Phân bố vận tốc theo quy luật tuyến tính Các tính chất vật lý lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát lưu chất F U    A h Định luật Newton dU      dy dU dy dU dy Biến thiên vận tốc theo phương vuông góc với chuyển động (phương y) Các tính chất vật lý lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát lưu chất  Một cách tổng quát : Định luật Newton (áp dụng cho chuyển động tầng) dU      dy dU dy dU dy   N / m     N s / m  [ Pa.s ]  m / s / m  [ N s / m ]      [ m / s]  [kg / m ] Biến thiên vận tốc theo phương vuông góc với chuyển động (phương y) hệ số nhớt động lực học (1poise=0.1Pa.s) hệ số nhớt động học (1stoke=10-4m2/s) Nước Không khí μ, poise 1.10-2 1.8.10-4 γ, stoke 0.01 0.15 Các tính chất vật lý lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát lưu chất  Phân loại lưu chất: • Lưu chất Newton: hầu hết lưu chất có hệ số nhớt μ=const Lưu chất có hệ số nhớt không phụ thuộc biến thiên vận tốc du/dy • Lưu chất phi Newton: lưu chất có hệ số nhớt phụ thuộc vào biến thiên vận tốc (gradient vận tốc) du/dy Các tính chất vật lý lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát lưu chất  Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ nhớt Các tính chất vật lý lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát lưu chất  Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ nhớt • Chất khí: T tăngμ tăng; • Chất lỏng: T tăng μ giảm; Tại ảnh hưởng nhiệt độ lên hệ số nhớt chất lỏng và khí ngược nhau? • Chất khí: nhiệt độ tăng các phân tử khí càng chuyển động hỗn loạn và va chạm nhiều hơn lực kiên kết các phân tử tăng hệ số nhớt tăng • Chất lỏng: nhiệt độ tăng các phân tử chuyển động tách xa nhau giảm lực liên kết phân tử hệ số nhớt giảm  Vấn đề thay đổi hệ số nhớt theo nhiệt độ ảnh hưởng đến việc bôi trơn máy móc Trong các động nhiệt (ví dụ: động xe máy, động ô tô), nhiệt độ thay đổi lớn sử dụng hỗn hợp bôi trơn gồm nhiều loại dầu bôi trơn có hệ số nhớt khác Các tính chất vật lý lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát lưu chất  Không khí  Chất lỏng   T  T  So   ( Sutherland ) o  To  T  S o 1.78.10 poise; To 288o K ; S 113o K  (T ) o (0o C )   AT  BT  Nước: μo=0.0179poise; A=0.03368;B=0.000221 Ảnh hưởng áp suất đến độ nhớt: nhỏ không đáng kể • Không khí: Dưới 20bars (1bar=105Pa) • Chất lỏng: Dưới 40 bars Các tính chất vật lý lưu chất 2.3 Tính nén – suất đàn hồi K Ở áp suất P, phần tử lưu chất có thể tích là V Khi áp suất thay đổi dP thể tích lưu chất biến thiên dV P+dP V V+dV  Sự thay đổi thể tích tương đương với biến thiên khối lượng riêng dρ (ρV=Mass = const) Nước Không khí K = 2,06.109 Pa 1,4.105 Pa  Suất đàn hồi liên hệ với vận tốc âm Các tính chất vật lý lưu chất 2.4 Áp suất bão hòa Chất lỏng có khuynh hướng hóa nó chứa đựng bình kín có mặt thoáng tiếp xúc bầu không khí Hiện tượng hóa xảy vì các phần tử lưu chất bề mặt có động lớn có thể thắng lực liên kết phân tử các phần tử xung quanh để bay vào khoảng không bên trên mặt thoáng, đó có số phần tử quay ngược trở và hóa lỏng Nếu khoảng không bên trên chất lỏng kín, số lượng phân tử thoát khỏi chất lỏng biến thành đạt trạng thái cân với số lượng phần tử hóa lỏng trở lại trạng thái bão hòa Các phần tử tạo áp suất khoảng không bên trên mặt thoáng gọi là áp suất bão hòa Các tính chất vật lý lưu chất 2.4 Áp suất bão hòa  Áp suất tăng theo nhiệt độ và sôi xuất áp suất bão hòa áp suất trên bề mặt chất lỏng  Khi áp suất trên bề mặt chất lỏng giảm, tượng sôi có thể xuất nhiệt độ thấp bình thường Ví dụ: nước sôi 100oC p=1atm, nước sôi 60oC p=0.2atm  Hiện tượng tạo bọt và xâm thực máy thủy khí: áp suất cục vị trí nhỏ áp suất bão hòa sôi cục tạo bọt khí bọt khí chuyển động tới vùng áp suất cao bị vỡ đột ngột Nếu xảy trên bề mặt tiếp xúc vật rắn xâm thực Các tính chất vật lý lưu chất 2.5 Sức căng bề mặt Chất lỏng có khuynh hướng thu hẹp diện tích tiếp xúc Bề mặt chất lỏng giống màng mỏng chịu lực căng Sức căng bề mặt là lực tác dụng trên đơn vị chiều dài trên bề mặt chất lỏng T Σf=0 Các tính chất vật lý lưu chất 2.5 Sức căng bề mặt Sức căng bề mặt làm cho chất lỏng có khuynh hướng thu hẹp, nên hạt chất lỏng thường có dạng hÌnh cầu  Sức căng bề mặt làm cho áp suất bên hạt chất lỏng lớn áp suất bên ngoài Cân lực áp suất bên và sức căng bề mặt bên ngoài hạt chất lỏng hình cầu Nước chảy lá môn Các tính chất vật lý lưu chất 2.5 Sức căng bề mặt - Hiện tượng mao dẫn  Khi đặt ống có đường kính nhỏ vào mặt thoáng chất lỏng Mực chất lỏng dâng lên hay hạ xuống so với mặt thoáng tùy vào sức căng bề mặt và lực ướt chất lỏng và thành ống  Cân trọng lực và sức căng bề mặt  chiều cao cột chất lỏng T T θ=0 θ = 135 - 150 Các tính chất vật lý lưu chất 2.6 Phương trình trạng thái khí lý tường  p là áp suất T : nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin, oK = toC+273) ρ: khối lượng riêng R: số khí (R = 287 J/kg.K) P= ρRT