Các khái niệm về dòng chảy và các đặc trưng thủy lực

2.1. Cơ học chất lỏng

2.1.3. Các khái niệm về dòng chảy và các đặc trưng thủy lực

2.1.3.1. Các loại chuyển động của chất lỏng

Chuyển động mà tất cả các đặc trưng của chất lỏng (vận tốc, áp suất…) phụ thuộc vào thời gian gọi là chuyển động không dừng (không ổn định).

Chuyển động mà tất cả các đặc trưng của nó không phụ thuộc vào thời gian gọi là

chuyền động dừng (ổn định).

Ở dòng chảy dừng, nếu sự phân bố vận tốc trên mặt cắt ngang không đổi dọc theo dòng chảy thì ta có dòng chảy đều (hình 2.4.). Ngược lại nếu sự phân bố vận tốc dọc theo dòng chảy thay đổi ta có dòng chảy không đều (hình 2.5.).

Dòng chảy có mặt thoáng được gọi là dòng chảy không áp (hình 2.6.) Dòng chảy không có mặt thoáng gọi là dòng chảy có áp (hình 2.7.)

Hình 2.6. Dòng chảy không áp Hình 2.7. Dòng chảy có áp

Dòng chảy được giới hạn các phía bằng chất lỏng hoặc chất khí, tức là từ tất cả các phía là mặt tự do thì được gọi là dòng tia.

2.1.3.2. Các đặc trưng thủy lực

Mặt cắt ướt

Mặt cắt thẳng góc với tất cả các đường dòng gọi là mặt cắt ướt. Có mặt cắt ướt phẳng

khi các đường dòng là những đường thẳng song song, có mặt cắt ướt cong khi các đường dòng cùng uốn cong song song (hình 2.8.).

Diện tích mặt cắt ướt ký hiệu là S.

Chu vi ướt

Ký hiệu chu vi ướt là  - là chiều dài của đường viền tiếp xúc giữa chất lỏng và thành lòng dẫn. Các ví dụ được chỉ ra trên hình 2.9.

Hình 2.9. Chu vi ướt của một số vật thể

Bán kính thủy lực

Là tỉ số giữa diện tích mặt cắt ướt và chu vi ướt, ký hiệu là R

Mặt cắt ướt phẳng Mặt cắt ướt cong Hình 2.8. Mặt cắt ướt d   d a b c  a b c

R S

 (2-9)

Ví dụ về cách tính R trong trường hợp mặt cắt phức tạp được minh họa trên hình 2.10. như sau:

R  S   a2 d 2 4 4a d

Lưu lượng và lưu tốc trung bình

Lưu lượng là thể tích chất lỏng đi qua một mặt cắt ướt nào đó trong một đơn vị thời gian, ký hiệu là Q, đơn vị là 1/s, m3/s. Xét một diện tích

phẳng ds, tốc độ u của chất lỏng đi qua diện tích ds lập với pháp tuyến n của diện tích đó một góc . Thể tích chất lỏng dw đi qua trong một đơn vị thời gian dt bằng thể tích hình trụ đáy ds dài udt, (hình 2.11.):

dw dQdtudtcosdS

Gọi un là hình chiếu của u lên pháp tuyến thì

un ucos .Vậy:

dQ un dS

Khi dS là mặt cắt ướt của một dòng nguyên tố, thì

lưu lượng nguyên tốdQ sẽ là:

dQ udS (2-10)

Lưu lượng của toàn dòng chảy sẽ là tổng các lưu lượng nguyên tố trên mặt cắt ướt của toàn dòng Q  S dQ S udS (2-11)

Lưu tốc trung bình của dòng chảy tại một mặt cắt là tỉ số lưu lượng Q với diện tích

S của mặt cắt đó, ký hiệu là v, đơn vị thường được đo bằng m/s hay cm/s. Kết hợp với (2- 10) ta có: a d a Hình 2.10. n u  ds udt Hình 2.11. un

vQ

S  S

udS

S (2-12)

Theo định nghĩa này có thể thay thế dòng chảy thực tế có sự phân bố các vectơ vận tốc u không đều trên mặt cắt ướt bằng dòng chảy tưởng tượng có các vectơ vận tốc song song và bằng nhau trên mặt cắt và bằng v sao cho lưu lượng qua hai dòng chảy đó đều bằng nhau.

Trong khi nghiên cứu rất hay dùng lưu tốc (vận tốc) trung bình mặt cắt v, vì thế khái niệm này rất quan trọng.