Cơ sở lý thuyết của các phƣơng pháp mô phỏng nƣớc chính là các tính chất vật lý của nó. Dƣới đây tôi xin giới thiệu một số tính chất vật lý của chất lỏng nói chung và nƣớc nói riêng để tạo điều kiện cơ sở cho nhận thức các phƣơng pháp mô phỏng nƣớc.
Chất lỏng chiếm một vị trí trung gian giữa chất khí và chất rắn. Ở nhiệt độ cao, chất lỏng giống trạng thái của thể khí và ở nhiệt độ thấp thì giống trạng thái của vật rắn. Chất lỏng có sự biến đổi liên tục từ thể này sang thể khác tuỳ thuộc vào nhiệt độ, áp suất. Biểu diễn chất lỏng biến đổi trạng thái từ rắn sang lỏng, từ lỏng sang khí là bài toán hiệu ứng tan chảy và mây mù của chất lỏng.
Khi nhận một lực hay một áp suất tác động thì lực sẽ đƣợc phân tán đều trên toàn bộ khối chất lỏng theo mọi hƣớng khác nhau. Khác với vật rắn, các hạt chất lỏng không có lƣới tinh thể trong một thể tích giới hạn, nghĩa là các hạt có đặc tính phân bố không có qui tắc, nhƣng cũng nhƣ ở tinh thể, các hạt chất lỏng cũng giao động (1013 giao động trong một giây) xung quanh một vị trí cân bằng tức thời trong một thời gian vô cùng ngắn.
Khác với vật rắn, các hạt chất lỏng thƣờng luôn thay đổi vị trí cân bằng đó một cách tự do, các hạt chuyển từ vị trí này sang vị trí khác. Nếu tách
thành phần chuyển động giao động ra thì hạt sẽ vẽ một quỹ đạo theo đƣờng gãy khúc, giống nhƣ quỹ đạo của các hạt khí.
Nhờ các đặc điểm trong tính chất chuyển động nhiệt ở một chừng mực nào đó, chất lỏng vừa có tính chất của chất khí vừa có tính chất của chất rắn.
Ví dụ: chất lỏng cũng có tính chảy nhƣ chất khí, và cũng có tính đàn hồi chống trƣợt nhƣ vật rắn, tính chất này làm cho chất lỏng dính nhớt.
Cần thiết phải nhấn mạnh rằng, khác hẳn với chất khí, chất lỏng hầu nhƣ không nén đƣợc và hoàn toàn chiếm một thể tích nhất định, nghĩa là nó có thể có mặt thoáng. Và khác với chất khí, độ nhớt của chất lỏng giảm đi khi nhiệt độ tăng.
Khác với chất rắn, hình dạng của chất lỏng hoàn toàn phụ thuộc vào bình chứa, nó không chịu sự biến dạng khi bị tác dụng lực.
2.2.3.1. Tính đàn hồi của chất lỏng
Tính chịu nén của chất lỏng đƣợc đặc trƣng bằng hệ số nén thể tích βc. Nó biểu thị sự thay đổi tƣơng đối của thể tích W khi áp lực P thay đổi đi một lƣợng 1kg/m2
và xác định bằng công thức: Βc = (1/W) * (dw/dp) m2/kg.
Từ công thức trên ngƣời ta tính toán đƣợc bảng βc của nƣớc ở các nhiệt độ khác nhau:
T0C 0 10 20 30
Βc (m2/kg) 50,2.10-10 48,2.10-10 46,5. 10-10 45,6. 10-10 Từ bảng trên ta thấy rằng độ chịu nén của nƣớc rất không đáng kể, vì vậy hầu hết trong các trƣờng hợp thực tế có thể bỏ qua.
2.2.3.2. Độ nhớt của chất lỏng
Khả năng của chất lỏng khi chuyển động có thể gây ra các ứng suất tiếp tuyến bên trong là một tính chất đƣợc gọi là tính nhớt hay ma sát trong của chất lỏng. Tính nhớt là một trong những tính chất căn bản của chất lỏng. Tính chất
đó đƣợc tạo ra do chuyển động bên trong của phân tử chất lỏng và sẽ thể hiện ra khi các lớp chất lỏng chuyển động tƣơng đối so với các lớp bên cạnh làm cho thể tích bị biến hình, trong đó lực ma sát sẽ xuất hiện.
Lực ma sát làm cho lớp chất lỏng chảy nhanh hơn sẽ lôi kéo lớp chất lỏng chảy chậm hơn và ngƣợc lại. Do lực ma sát biến cơ năng của chất lỏng đang chuyển động sẽ biến thành nhiệt năng. Độ nhớt của chất lỏng đƣợc đặc trƣng bằng hệ số nhớt . Hiện nay, chƣa có một công thức thống nhất nào để tính độ nhớt của chất lỏng, mà ngƣời ta chỉ mới tính đƣợc vài trị số độ nhớt của nƣớc nhƣ sau:
T0c 0 10 20 30
Μ 1,827 1,330 1,024 0,816
Khi nhiệt độ tăng thì động năng của phân tử tăng, nên “thể tích dao động” sẽ dần dần lớn ra và hệ số nhớt giảm xuống.
2.2.3.3. Lực mao dẫn của chất lỏng
Chúng ta đã biết rằng mặt thoáng của chất lỏng hay nói tổng quát hơn là mặt phân giới của chất lỏng và chất khí ở trong trạng thái cân bằng của sức căng mặt ngoài.
Trị số của sức căng mặt ngoài σ qui về một đơn vị chiều dài của “đƣờng tạo thành” chỉ phụ thuộc vào bản chất chất lỏng và nhiệt độ của nó. Đối với nƣớc tiếp xúc với không khí, trị số σ ở 200C bằng khoảng 0,0074kg/m2
, và giảm đi khi nhiệt độ tăng.
Trong một số lớn quá trình thủy lực, ảnh hƣởng của sức căng mặt ngoài vì quá nhỏ nên bỏ qua, chỉ cần tính đến sức căng mặt ngoài nếu mặt thoáng của chất lỏng có một độ cong rõ rệt hoặc nếu các lực căng mặt ngoài tạo thành áp lực phụ lên chất lỏng. Tác dụng của áp lực phụ này giải thích đƣợc hiện tƣợng dâng mao quản của chất lỏng .
Chất lỏng có khả năng hút và hòa tan các chất khí khi tiếp xúc với nó. Khi đó, trọng lƣợng của chất khí bị hoà tan thay đổi tỷ lệ với áp lực của chất lỏng, còn về thể tích thì thực tế vẫn không thay đổi.
Nƣớc trong trạng thái thiên nhiên bao giờ cũng chứa một lƣợng không khí bị hòa tan: ở nhiệt độ bình thƣờng, lƣợng đó vào khoảng 2% thể tích nƣớc. Khi áp lực giảm, một phần không khí hòa tan sẽ bốc lên khỏi chất lỏng. Áp lực càng giảm thì không khí bốc hơi lên càng mạnh, khi đó sẽ sinh ra hơi chất lỏng. Sự bốc hơi tạo thành sƣơng mù của chất lỏng có thể xảy ra ở các áp lực lớn hơn áp lực khí trời nếu nhiệt độ nƣớc tăng hay nƣớc chứa nhiều khí quá. Đó là nguyên nhân của việc sinh ra các “túi” không khí trong các ống dẫn nƣớc dài; không khí bốc ra và hơi nƣớc sẽ tích lũy lại trong các ống đó ở những nơi cao nhất và có thể gây khó khăn hay làm cho nƣớc hoàn toàn không chuyển động đƣợc