Bài giảng Cơ học chất lưu - Chương 1: Mở đầu - Phan Văn Huấn

Thời gian làm bài: 90 phútCơ học chất lưu■ Điều kiện tiên quyết: Sinh viên phải học: Vật lý ĐC B1 và B2; Tốn cao cấp A1 và A2.■ Nhiệm vụ của sinh viên: Xem trước giáo trình, sách tham khảo, sách bài tập, lên lớp nghe giảng, thảo luận nhĩm, làm bài tập hoặc xemina. Mục tiêu của học phầnTrang bị cho sinh viên hiểu biết về các hiện tượng Vật lý xảy ra trong chất lưu, cĩ kiến thức cơ bản để giải quyết các bài tốn về cơ học chất lưu. Cĩ thể vận dụng kiến thức để làm việc trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: thiết kế các phương tiện vận chuyển;tính tốn cho cấp, thốt nước, trong các lĩnh vực thủy lợi, xây dựng, mơi trường, Giới hạn phần trọng tâmCác tính chất cơ bản của chất lưu. Các phương trình đặc trưng cho chất lưu ở trạng thái tĩnh, cách tính các áp lực của chất lưu lên một bề mặt vật. Các loại chuyển động của chất lưu. Phương trình liên tục, phương trình vi phân của chất lưu chuyển động, phương trình cơ bản động lực học chất lưu. Thế lưu của dịng chất lưu lý tưởng khơng nén được, chuyển động thế trên mặt phẳng. Bài tập áp dụng.Tài liệu học tập1. Tài liệu chính:  Bài giảng Cơ lưu chất- Phan Văn Huấn ĐH Thủ Dầu Một Tĩm tắt bài giảng Cơ lưu chất- Huỳnh cơng Hồi ĐH Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh.  Bài giảng Cơ Lưu Chất, Nguyễn Thị Bảy, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh.2. Tài liệu tham khảo: Bài giảng Thuỷ lực và máy thuỷ lực, Nguyễn Đăng Phĩng, Bộ mơn Thủy lựcThủy văn Khoa Cơng trình, Trường Đại học Giao thơng Vận tải.Tài liệu học tập2. Tài liệu tham khảo: Cơ học chất lưu – Nguyễn Bá Chư, nhà xuất bản Bách khoa – Hà Nợi. Bài tập Cơ lưu Chất, Nguyễn thị Phương, Lê song Giang, Bộ mơn Cơ lưu Chất, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh.  Bài tập cơ học chất lỏng ứng dụng, tập 1, Nguyễn Hữu Chí, Nguyễn Hữu Dy, Phùng Văn Khương, nhà xuất bản giáo dục. Applied Fluid Mechanics- Robert L. Mott , Fourth edition , Macmillian PublishingCompany, 1990. E-book : Fluid Mechanics , Frank M. White , 1994.Nội dung chi tiết học phần Chương 1: Mở đầu Chương 2: Tĩnh học chất lưu Chương 3: Đợng học chất lưu Chương 4: Đợng lực học chất lưuChương 5: Dòng chảy đều trong ớng Chương 6: Thế lưu Chương 1: MỞ ĐẦUI. Giới thiệu mơn học cơ lưu chấtII. Tính chất vật lý cơ bản của chất lưu1). Khối lượng riêng, trọng lượng riêng, tỷ trọng, thể tích riêng.2). Tính nén được3).Tính nhớt của chất lưu4). Áp suất hơi 5).Sức căng mặt ngồi và hiện tượng mao dẫnIII. Bài tập áp dụng Đối tượng nghiên cứu :Lưu chất : chất lỏng và chất khí Phạm vi nghiên cứu : Nghiên cứu các qui luật của chất lỏng và chất khí khi đứng yên và chuyển động . Mục tiêu nghiên cứu: Nhằm phục vụ trong nhiều lĩnh vực :+ Nghiên cứu thiết kế các phương tiện vận chuyển: xe hơi, tàu thủy, máy bay, hỏa tiển..+ Ứng dụng trong khí tượng thủy văn : dự báo bão, lũ lụt, ..I. Giới thiệu mơn học cơ lưu chất+ Ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng như cấp, thốt nước, cơng trình thủy lợi (cống, đê, hồ chứa, nhà máy thủy điện ..), tính tốn thiết kế cầu, nhà cao tầng+ Tính tốn thiết kế các thiết bị thủy lực :máy bơm, tua bin, quạt giĩ, máy nén..+ Ứng dụng trong y khoa: mơ phỏng tuần hồn máu trong cơ thể, tính tốn thiết kếcác máy trợ tim nhân tạo.. I. Giới thiệu mơn học cơ lưu chất(tt) Phân biệt lưu chất :+ Lực liên kết giữa các phân tử nhỏ → Cĩ hình dạng phụ thuộc vào vật chứa.+ Khơng chịu tác dụng của lực cắt, kéo → Lưu chất là mơi trường liên tục.+ Dưới tác dụng của lực kéo → Lưu chất chảy (khơng giữ được trạng thái tĩnh ban đầu)+ Lưu chất được xem là khơng nén được khi khối lượng riêng thay đổi khơng đáng kể ( = const). Chất lỏng thường được xem là khơng nén được trong hầu hết các bài tốn kỹ thuật.I. Giới thiệu mơn học cơ lưu chất(tt)II. Các tính chất cơ bản của lưu chất1). Khối lượng riêng (): là khối lượng của một đơn vị thể tích lưu chất. Đơn vị (hệ SI): kg/m3 = (Ns2/m4) Ví dụ: n = 1000 kg/m3; kk = 1,228 kg/m3.2).Trọng lượng riêng : là lực tác dụng cuả trọng trường lên khối lượng của một đơn vị thể tích chất đĩ:  = .gĐơn vị (Hệ SI):  = (N/m3)Hoặc: kgf/m3; 1kgf = 9.81N; n = 9,81.103N/m3 V, mA3). Tỷ trọng: là tỷ số giữa trọng lượng riêng  của một chất với trọng lượng riêng của nước n ở điều kiện chuẩn. (n = 9,81.103N/m3) nếu xem g = const  4). Thể tích riêng:Chú ý: g cũng thay đổi theo chiều cao z; z càng lớn, g càng giảm do lực hút của trái đất lên vật giảmII. Các tính chất cơ bản của lưu chất (tt)5).Tính nén được: suất đàn hồi (K) đặc trưng cho tính nén được của lưu chất.a). Đối với chất lỏng:  Trong đĩ: p là hệ số nén (hệ số giãn nở do áp lực). Đơn vị (Hệ SI): K = (N/m2); p = (m2/N) VD: Nước ở 200C cĩ Kn = 2,2.109N/m2 PVpII. Các tính chất cơ bản của lưu chất (tt)5).Tính nén được: a). Đối với chất lỏng:  Hệ số dãn nở do nhiệt: t: PVpII. Các tính chất cơ bản của lưu chất (tt)Vì V = V – V0 ; P = P – P0 ta cĩ: Từ đĩ ta suy ra Hay b). Đối với chất khí: Sử dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng: PV = RT hay P = RT Trong trường hợp nén đẳng nhiệt T =const Ta cĩ: PV = const + P là áp suất tuyệt đối (N/m2= pa= J/m3 ) +  là khối lượng riêng (kg/m3) + T là nhiệt độ tuyệt đối (độ Kelvin 0K) + R là hằng số, phụ thuộc chất khí, R = 8314/M + M là phân tử khối của chất khí II. Các tính chất cơ bản của lưu chất(tt) Nếu quá trình nén đẳng entropi (quá trình nén khơng ma sát và khơng cĩ sự trao đổi nhiệt): p/k = const k = cp/cv cp – nhiệt dung đẳng áp R = cp – cv cv – nhiệt dung đẳng tích+Vận tốc truyền âm trong lưu chất: + Đối với khí lý tưởng trong quá trình nén đẳng entropi:II. Các tính chất cơ bản của lưu chất(tt)6. Tính nhớt: Lưu chất khơng cĩ khả năng chịu lực cắt, khi cĩ lực này tác dụng, nĩ sẽ chảy và xuất hiện lực ma sát bên trong. Đặc trưng cho ma sát giưã các phần tử lưu chất trong chuyển động  Định luật ma sát nhớt Newton: Fms = ATrong đĩ:  là ứng suất ma sát (ứng suất tiếp) A là diện tích tiếp xúc. Ứng suất tiếp giữa các lớp lưu chất song song do sự chuyển động tương đối giữa các lớp phụ thuộc vào gradient vận tốc du/dy.II. Các tính chất cơ bản của lưu chất(tt)6. Tính nhớt: Ứng suất tiếp dudyu+duuxyuII. Các tính chất cơ bản của lưu chất(tt): ứng suất tiếp, đơn vị N/m2=Pa: độ nhớt động lực học; du/dy: suất biến dạng hay biến thiên vận tốc theo phương thẳng gĩc với chuyển động Đơn vị  (Hệ SI): N.s/m2; kg/m.s; Pa.s; poise; (1poise = 0,1kg/m.s)+ Lưu chất Newton: cĩ ứng suất tiếp tỉ lệ thuận với suất biến dạng.+ Lưu chất phi Newton: cĩ ứng suất tiếp khơng tỉ lệ với suất biến dạngLưu chất NewtonLưu chất phi NewtonLưu chất phi Newton0du/dyII. Các tính chất cơ bản của lưu chất(tt)II. Các tính chất cơ bản của lưu chất(tt): Độ nhớt động lực học :  = const: đ/v lưu chất Newton  = 0 : đ/v lưu chất lý tưởng Độ nhớt động học: Đơn vị  (Hệ SI): m2/s; stokes; (1st = 10-4m2/s)+ Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ: chất lỏng  giảm khi nhiệt độ tăng, chất khí  tăng khi nhiệt độ tăng+ Độ nhớt phụ thuộc vào áp suất: chất lỏng  tăng khi P tăng, chất khí  khơng đổi khi P thay đổi. Đ.lượngNướcK.khí, poise1.10-21,8.10-4, stoke0,010,15II. Các tính chất cơ bản của lưu chất(tt):7. Áp suất: Áp suất (p): đặc trưng cơ bản của áp lực chất lưu là áp suất. Áp suất là áp lực tác đợng lên mợt đơn vị diện tích chất lỏng. Đơn vị (Hệ SI): P=(N/m2)=Pa; at; tor (mmHg) 1at = 9,81.104N/m2 =10mH2O; Các đơn vị có liên quan hệ tương đương1at=9,81.104N/m2=10mH2O; 1tor =133,322N/m2; 1bar=105N/m2; 1bari=10-1N/m2+ Đơn vị (Hệ SI):  = N/m8. Sức căng bề mặt ngồi ( ứng suất mặt ngồi ) Do sức căng bề mặt mà gây nên hiện tượng chất lỏng làm ướt và khơng làm ướt vật rắn, hệ quả của nĩ là hiện tượng mao dẫn 9. Hiện tượng mao dẫn Được xác đinh bởi chiều cao (h) cợt chất lỏng dâng lên (hay hạ xuớng) trong ớng mao dẫnr là bán kính ớng mao dẫn, R là bán kính cong của mặt khum chất lỏng,  là góc làm ướt (gĩc bờ). Khi =0 (dính ướt hồn tồn), = (khơng dính ướt hồn tồn) thì bán kính mặt cong bằng bán kính ống mao dẫnII. Các tính chất cơ bản của lưu chất(tt):II. Các tính chất cơ bản của lưu chất(tt):Hiện tượng mao dẫnIII. Lực tác dụng trong lưu chấtLực tác dụng chỉ cĩ lực phân bố và được chia thành 2 lọai: nội lực và ngoại lực (ngọai lực gồm lực khối và lực mặt).1. Lực khối: là ngọai lực tác dụng lên mọi phần tử của thể tích lưu chất và tỷ lệ với khối lượng lưu chất. Vector cường độ lực khối:Ví dụ: Trọng lực: Lực quán tính: Lực ly tâm: AfV, VIII. Lực tác dụng trong lưu chất (tt):2. Lực mặt: là ngọai lực tác dụng lên thể tích lưu chất thơng qua bề mặt bao bọc và tỷ lệ với diện tích bề mặt.  Vector ứng suất:  Ví dụ: Áp suất Ứng suất ma sát Trạng thái ứng suấtỨng suất trên mặt bất kỳ:fAS(ij = ji) Bài 1: Nồi áp lực gồm phần trụ trịn cĩ đường kính d=1000mm, dài l=2m; đáy và nắp cĩ dạng bán cầu. Nồi chứa đầy nước với áp suất p0. Xác định thể tích nước cần nén thêm vào nồi để tăng áp suất trong nồi từ p0=0 đến p1=1000at. Biết hệ số nén của nước là βp=4,112.10-5 cm2/kgf. Xem như bình khơng giản nở khi nénBài tập ld Dầu mỏ được nén trong xi lanh bằng thép thành dày tiết diện đều như hình vẽ. Xem như thép khơng đàn hồi. Cột dầu trước khi nén là h=1,5m, và mực thuỷ ngân nằm ở vị trí A-A. Sau khi nén, áp suất tăng từ 0at lên 50at, thì mực thuỷ ngân dịch chuyển lên một khoảng Δh=4mm. Xác định hệ số nén và suất đàn hồi của dầu mỏ Bài 2DầuNướcThép Bài 2DầuNướcThépBài 3: Một bình bằng thép cĩ thể tích tăng 1% khi áp suất tăng thêm 70 Mpa. Ở điều kiện chuẩn, bình chứa đầy nước 450 kg( =1000kg/m3). Biết suất đàn hồi K=2,06.109 pa. Xác định khối lượng nước cần thêm vào (ở điều kiện chuẩn) để tăng áp suất lên 70 Mpa.Bài tập tự làmBài 2: Xác định sự thay đổi thể tích của 3m3 khơng khí khi áp suất tăng từ 100 Kpa đến 500 Kpa. Khơng khí ở nhiệt độ 23 oC (xem khơng khí là khí lý tưởng). Bài tập 3Tìm độ nhớt động lực của dầu mazút nếu biết khối lượng riêng của nĩ là =900kg/m3 và độ nhớt động học =0,577.10-4 m2/s.Bài 4: Để làm thí nghiệm thủy lực, người ta đổ đầy nước vào một đường ống cĩ đường kính d=300mm, chiều dài L=50m ở áp suất khí quyển. Hỏi lượng nước cần thiết phải đổ thêm vào ống là bao nhiêu để áp suất đạt tới 51at? Biết hệ số nén ép P = (1/20.000).at-1Bài 5: Trong một bể chứa hình trụ thẳng đứng cĩ đường kính d=4m, đựng 100 tấn dầu hỏa cĩ khối lượng riêng =850 kg/m3 ở 10oC. Xác định khoảng cách dâng lên của dầu trong bể chứa khi nhiệt độ tăng lên đến 400C. Bỏ qua giãn nở của bể chứa. Hệ số giãn nở nhiệt của dầu là t= 0,00072/K.Bài 6: Khi làm thí nghiệm thủy lực, dùng một đường ống cĩ đường kính d = 400 mm, dài L = 200 m, đựng đầy nước ở áp suất 55 at. Sau một giờ áp suất giảm xuống cịn 50 at. Xác định lượng nước chảy qua các kẽ hở của đường ống. Biết hệ số nén ép P = (1/20.000).at-1Bài 7: Một bể hình trụ đựng đầy dầu hỏa ở nhiệt độ 50C, mực dầu cao 4m. Xác định mực dầu tăng lên, khi nhiệt độ tăng lên 250C. Bỏ qua biến dạng của bể chứa. Hệ số giãn nở nhiệt của dầu. Hệ số giãn nở nhiệt của dầu là t= 0,00072/K.