Bài giảng Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang

Chia sẻ: Buctranhdo Buctranhdo | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:70

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Cơ lưu chất cung cấp cho người học những kiến thức như: Mở đầu; Tĩnh học lưu chất; Động học lưu chất; Động lực học lưu chất; Dòng chảy đều trong ống; Dòng chảy đều trong kênh hở; Thế lưu - Lực nâng và Lực cản. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang

Trường Đại học Bách Khoa TPHCM Khoa Kỹ thuật Xây Dựng – BM Cơ lưu chất CƠ LƯU CHẤT (Fluid mechanics) TS. Võ Thị Tuyết Giang TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình: – Cơ lưu chất + BT – Bài giảng
NỘI DUNG MÔN HỌC 1. Mở đầu 2. Tĩnh học lưu chất GK 3. Động học lưu chất 20% 4. Động lực học lưu chất (Trừ PT động lượng) 5. Dòng chảy đều trong ống CK KT 6. Dòng chảy đều trong kênh hở 10% 50% 7. Thế lưu - Lực nâng và Lực cản • Thí nghiệm: 20% (SV không hoàn thành phần thí nghiệm sẽ không được phép thi) BG Cơ lưu chất - TS.Võ Thị Tuyết Giang 3 Hình thức thi: trắc nghiệm - Giữa kỳ (20%): thời gian 45 phút. Lý thuyết: 6 câu, mỗi câu 0.6 điểm. Bài toán: 05 câu, mỗi câu 2.0 điểm - Cuối kỳ (50%): thời gian 90 phút. Lý thuyết: 12 câu, mỗi câu 0.3 điểm. Bài toán: 10 câu, mỗi câu 1 điểm Kiểm tra (10%): Báo trước 1 tuần 02 câu hỏi VIẾT, đáp số đúng + cách làm đúng  Bài toán: 01 câu sai = 1/5 câu đúng.  Cho sinh viên mang 2 biểu đồ Kênh tròn và Moody.  Kiểm tra giữa kỳ + thi cuối kỳ sinh viên chỉ được sử dụng tài liệu 1 trang A4 và 2 biểu đồ. BG Cơ lưu chất - TS.Võ Thị Tuyết Giang 4 2
Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1. Giới thiệu về cơ lưu chất (CLC) CLC nghiên cứu các quy luật của chất lỏng và chất khí ở trạng thái tĩnh (fluid statics) và động (fluid dynamics); sự tương tác giữa lưu chất với chất rắn hoặc với lưu chất khác ở các mặt biên (boundaries). BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 5 Phạm vi ứng dụng BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 6 3
Phạm vi ứng dụng BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 7 1.2. Các tính chất cơ bản của lưu chất  Sự khác nhau giữa lưu chất và chất rắn?  Sự khác nhau giữa chất lỏng và chất khí? - Là môi trường liên tục - Được cấu tạo từ các phân tử có lực liên kết yếu - Có tính chảy được (không chịu lực kéo, lực cắt và không có hình dạng riêng) Fluid BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 8 4
1.2. Các tính chất cơ bản của lưu chất Khối lượng riêng, thể tích riêng, trọng lượng riêng và tỷ khối  Khối lượng riêng  Thể tích riêng  Trọng lượng riêng (γn,40C = 9810 N/m3 = 1000 kG/m3)  Tỷ khối   n BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 9 Tính nén được (compressibility)  Chất lỏng Hệ số nén (hệ số co thể tích): sự giảm tương đối của thể tích chất lỏng ứng với sự tăng áp suất lên 1 đơn vị áp suất dV / V0 (m2/N) βp   dp Suất đàn hồi dp dp K   V0 hay K  (N/m2) Kn = 2,2.109 N/m2 dV d Hầu hết các chất lỏng rất khó nén nên xem như là lưu chất không nén (chất lỏng còn có thể coi như không co giãn dưới tác dụng nhiệt độ)  Chất khí (lý tưởng) Kelvin scale: Hằng số chất khí: R = 287,1 J/(Kg.oK) Áp suất tuyết đối: ρ (N/m2) BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 10 5
Tính nhớt (viscosity) - tính chất nảy sinh ra sức ma sát trong (ứng suật tiếp chuyển động giữa các lớp chất lỏng chuyển động - chất lỏng giữa 2 tấm phẳng (thí nghiệm độ nhớt – ma sát) Hệ số nhớt động lực học (hs nhớt) -Định luật Newton về ma sát nhớt Lực ma sát: Hệ số nhớt động học BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 11 Tính nhớt (viscosity) - Độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ Chất lỏng Chất khí BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 12 6
Tính nhớt (viscosity) - Lưu chất Newton và phi Newton Lưu chất tuân theo định luật ma sát trong của Newton gọi là chất lỏng thực hoặc chất lỏng Newton. Những chất lỏng (như chất dẻo, sơn, hồ,…) cũng chảy nhưng không tuân theo ĐL Newton gọi là chất lỏng phi Newton. Lưu chất lý tưởng: hoàn toàn không có tính nhớt (μ = 0 hay τ = 0). BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 13 Sức căng bề mặt (surface tension) ∆P: chênh lệch áp suất bên trong và bên ngoài lưu chất σ: sức căng bề mặt (N/m) BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 14 7
Hiện tượng mao dẫn (capillary effect) BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 15 Áp suất hơi (vapor pressure) -Áp suất hơi bão hòa = áp suất bên trong chất lỏng : xuất hiện sự sôi -Áp suất hơi bão hòa > áp suất ở một khu vực nào đó của dòng chảy: gây sự sôi cục bộ làm xuật hiện các bọt khí (cavitation) Sự biến mất đột ngột các đám bọt gây phá hủy bề mặt một mẫu nhôm 16mm x 23mm. BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 16 8
Bài tập BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 17 References • BM Cơ lưu chất. Giáo trình Cơ lưu chất. Trường ĐH Bách Khoa TPHCM (lưu hành nội bộ). • Nguyễn Thị Bảy. Bài giảng Cơ lưu chất và các ví dụ tính toán. Trường ĐH Bách Khoa TPHCM (lưu hành nội bộ). • Y. A. Çengel & J. M. Cimbala. Fluid mechanics – Fundamentals and applications. Mc Graw Hill, 2006. • P. K. Kundu, I. M. Cohen and D. R. Dowling. Fluid mechanics (fifth edition). Elsevier, 2012 BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 18 9
Trường Đại học Bách Khoa TPHCM Khoa Kỹ thuật Xây Dựng – BM Cơ lưu chất CƠ LƯU CHẤT (Fluid mechanics) TS. Võ Thị Tuyết Giang Chương 2: TĨNH HỌC LƯU CHẤT Tĩnh học lưu chất: lưu chất ở trạng thái CB  2.1. Áp suất thủy tĩnh  F  F -Áp suất thủy tĩnh trung bình: ptb  A A 1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa = 100 kPa 1 atm = 101325 Pa 1 at = 1 kgf/cm2 = 98066,5 Pa = 10m H20 = 735 mmHg = 0,96784 atm BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 2 1
- Áp suất tại 1 điểm trong lưu chất:   F p  lim A 0 A Áp suất tại một điểm là như nhau theo mọi phương. BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 3 - Tính chất cơ bản của áp suất thủy tĩnh: • tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực và hướng vào diện tích ấy • trị số tại 1 điểm bất kỳ không phụ thuộc hướng đặt của diện tích chịu lực tại điểm này Giải thích? BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 4 2
- Sự thay đổi áp suất theo độ sâu: Áp suất tại các điểm bên trong bình chứa chỉ phụ thuộc độ sâu h, không phụ thuộc hình dạng bình. BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 5 2.2. Sự cân bằng của chất lỏng trọng lực - Chất lỏng trọng lực: khi lực thể tích td vào chất lỏng chỉ là trọng lực -PT cơ bản của thủy tĩnh học: quy luật phân bố áp suất thủy tĩnh p p0 p  p0  h z  z0   const   -Mặt đẳng áp của chất lỏng trọng lực: z = const (mp nằm ngang) -Định luật bình thông nhau: h1  2  h2  1 Nếu 2 bình thông nhau đựng chất lỏng khác nhau và có áp suất trên mặt thoáng bằng nhau, độ cao của chất lỏng ở mỗi bình tính từ mặt phân chia 2 chất lỏng đến mặt thoáng sẽ tỷ lệ nghịch với trọng lượng đơn vị của chất lỏng. BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 6 3
- Định luật Pascal: Đối với lưu chất trong bình kín, áp suất tại mọi điểm tăng lên 1 lượng giống nhau. Ứng dụng: hydraulic lift BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 7 - Áp suất tuyệt đối, áp suất khí quyển, áp suất chân không và áp suất dư BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 8 4
 Áp suất tuyệt đối (áp suất toàn phần):  Áp suất dư (áp suất tương đối): Nếu áp suất tại mặt thoáng là áp suất khí quyển:  Áp suất chân không: -Nếu p là áp suất tuyệt đối: p  htuyet và z  htuyet  H  -Nếu p là áp suất dư: p  hdu và z  hdu  H '  H: cột nước thủy tĩnh (độ cao đo áp) tuyệt đối H’: cột nước thủy tĩnh (độ cao đo áp) dư BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 9 Đo áp suất khí quyển Ống đo áp chữ L Ống đo áp chữ U BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 10 5
2.3. Áp lực thủy tĩnh Áp lực tác dụng lên bề mặt phẳng, ngập trong chất lỏng  Độ lớn = áp suất tuyệt đối tại trong tâm diện tích phẳng x diện tích  Tâm áp lực: BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 11 2.3. Áp lực thủy tĩnh Áp lực tác dụng lên bề mặt phẳng, ngập trong chất lỏng  Trường hợp bề mặt phẳng HCN Mp nghiêng: Mp nằm ngang (s = 0): BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 12 6
2.3. Áp lực thủy tĩnh Áp lực tác dụng lên bề mặt phẳng, ngập trong chất lỏng  Trường hợp nhiều loại chất lỏng Với: BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 13 2.3. Áp lực thủy tĩnh Áp lực tác dụng lên bề mặt cong BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 14 7
2.4. Lực đẩy Archimèdes - Một vật rắn ngập hoàn toàn trong chất lỏng chịu tác dụng của một lực hướng lên trên, có trị số bằng trọng lương khối chất lỏng bị vật rắn chiếm chỗ. PZ  gWr BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 15 2.5. Sự cân bằng của một vật trong lưu chất BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 16 8
[Y. A. Çengel & J. M. Cimbala. Fluid mechanics – Fundamentals and applications. Mc Graw Hill, 2006] BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 17 Bài tập BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 18 9
Chương 3: ĐỘNG HỌC LƯU CHẤT Động học lưu chất (fluid kinematics): mô tả chuyển động của lưu chất mà không cần thiết phải xét đến lực và mômen gây ra chuyển động đó. “Satellite image of a hurricane near the Florida coast; water droplets move with the air, enabling us to visualize the counterclockwise swirling motion. However, the major portion of the hurricane is actually irrotational, while only the core (the eye of the storm) is rotational.” [Y. A. Çengel & J. M. Cimbala. Fluid mechanics – Fundamentals and applications. Mc Graw Hill, 2006] BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 2 3.1. Hai phương pháp mô tả chuyển động của lưu chất 3.1.1. Phương pháp Lagrange - Hệ thống tọa độ được xác định trong không gian, chuyển động của thể tích lưu chất được mô tả bằng vị trí của các phần tử lưu chất theo thời gian. BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 3 1
 dx  du x x  x x 0 , y 0 , z 0 , t  a x  dt  u x  dt     dy  du y x0, y0, z0 và t: biến số  y  y  x 0 , y 0 , z 0 , t   u y   a y    dt  dt Lagrange   dz  du z z  zx 0 , y 0 , z 0 , t  u z  dt a z  dt   Nhận xét: -Các yếu tố chuyển động chỉ phụ thuộc vào thời gian, VD: u=at2+b -Ưu điểm: mô tả chuyển động một cách chi tiết. -Khuyết điểm: phức tạp, số lượng phương trình lớn. -PVSD: dùng trong một số trường hợp đặc biệt như nghiên cứu sự truyền sóng. BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 4 3.1.2. Phương pháp Euler - Trong một hệ tọa độ xác định, chuyển động của lưu chất được mô tả bằng vận tốc của các phần tử lưu chất tại mỗi vị trí theo thời gian. u x  u x  x, y, z, t  Gia toá c   x, y, z và t: biến số Euler u y  u y  x, y, z, t     Quyõ ñaï o u z  u z x, y , z , t   Nhận xét: -Ưu điểm: ít phương trình tính toán -Khuyết điểm: không cho thấy rõ cấu trúc của chuyển động. -PVSD: rộng rãi hơn PP Lagrange, thường được sd để nghiên cứu. -Phương trình vi phân của đường dòng: dx dy dz (chuyển động ổn định và không ổn định)   u u u x y z BG Cơ lưu chất - TS. Võ Thị Tuyết Giang 5 2