Bài giảng Hóa công 1: Chương 3 - TS. Cao Thị Mai Duyên

Thủy động lực học của chất lỏng

Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội

B – Thủy động lực học của chất lỏng

Thủy động lực học của chất lỏng

Thủy động lực học của chất lỏng nghiên cứu:

- Các qui luật về chuyển động của chất lỏng (trong ống dẫn,

chất lỏng choán đầy ống, dòng liên tục, không bị ngắt quãng

bởi khí (hơi)).

- Các đại lượng đặc trưng cơ bản cho chuyển động của chất

lỏng (vận tốc w, áp suất P, lưu lượng G,… )

- Các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ chảy của chất lỏng: Re, …

- Đưa ra những ứng dụng vào thực tế sản xuất.

B – Thủy động lực học của chất lỏng

I. Các khái niệm cơ bản

1. Lưu lượng và vận tốc chuyển động của chất lỏng

- Định nghĩa: Lưu lượng của chất lỏng là lượng chất lỏng chảy qua

một tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian

- Thứ nguyên: kg/s hoặc kg/h; m3/s hoặc l/s hoặc m3/h….

- Lưu lượng chỉ được tính khi dòng chất lỏng đã choán đầy ống dẫn.

- Vận tốc của các phần tử chất lỏng trên tiết diện ngang của ống là khác

nhau

- Ở tâm ống có vận tốc lớn nhất, càng gần thành ống vận tốc càng nhỏ và

sát thành ống thì vận tốc bằng 0 do ma sát.

- Trong trường hợp dòng chảy không ổn định, vận tốc còn phụ thuộc vào

thời gian: w= f (x,y,z,t)

B – Thủy động lực học của chất lỏng

Vận tốc giới hạn

Chất lỏng giọt trong ống dẫn < 3m/s

Chất lỏng nhớt 0,5 đến 1m/s

Chất lỏng giọt trong ống đẩy 1,5 đến 3m/s

Khí và hơi ở áp suất thường 8 đến 15 m/s

Khí ở áp suất cao 15 đến 25 m/s

Hơi nước bão hòa 20 đến 40 m/s

Hơi nước quá nhiệt 30 đến 50 m/s

B – Thủy động lực học của chất lỏng

Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên độ nhớt

- Độ nhớt phụ thuộc vào cấu tạo và

- Trong giới hạn nhiệt độ thấp, khi

phân bố giữa các phân tử

nhiệt độ tăng

+ độ nhớt của chất lỏng giọt giảm

- Trong giới hạn áp suất thấp, sự thay

+ độ nhớt của chất khí tăng

- Trong giới hạn áp suất cao, độ nhớt

dổi của độ nhớt là không đáng kể

tăng theo chiều tăng của áp suất

B – Thủy động lực học của chất lỏng

4. Chất lỏng phi Newton

Lực ma sát không tỷ lệ thuận với gradt(w), khi chảy không theo định luật Newton.

a.Chất lỏng dẻo: gradt(w) phụ thuộc ứng suất ma sát, chỉ chuyển động khi lực kéo

thắng được ứng suất dẻo )huyền phù đặc, bột nhão, quặng nung chảy…).

- Chất lỏng xúc biến: tăng thời gian tác động của lực kéo, cấu trúc bị phá vỡ, nó

b. Chất lỏng biến dạng:

dễ dàng chuyển động. Khi ngừng ngoại lực, nó sẽ dần trwor lại trạng thái ban

- Chất lỏng lưu ngưng: Không chịu tác dụng của lực, khi khuấy trộn độ linh động

đầu và ngừng chảy, khi khuấy, độ nhớt giảm đáng kể (sơn, sữa chua, …)

sẽ giảm nhanh, độ nhớt tăng lên (các loại keo dán)

c. Chất lỏng đàn hồi: tăng độ linh động khi các tác dụng của ngoại lực, nhưng khi

ngưng tác dụng, chỉ một phần hình dạng cũ được khôi phục (bột nhão, bột chất

dẻo, …)

Độ nhớt của các chất lỏng phi Newton lớn hơn rất nhiều so vơi nước.

B – Thủy động lực học của chất lỏng

5. Chế độ chuyển động của chất lỏng:

Chảy dòng

Dòng chảy xoáy ổn định

Phân bố vận tốc

Chảy dòng: các lớp chất lỏng trượt lên nhau, vận tốc lớn nhất ở tâm ống, giảm dần

về hai bên thành ống, tại thành ống w = 0. Phân bố vận tốc (Profil) có dạng Parabol.

Chảy xoáy: khi vận tốc tăng lên, vận tốc thay đổi cả về giá trị và hướng nên phân bố

vận tốc (Profil) có dạng Parabol tù.

B – Thủy động lực học của chất lỏng

6. Thí nghiệm của Reynold xác định chế độ chuyển động của chất lỏng:

Quan sát được dạng tia mực:

a. Chế độ chảy dòng: tia mực thẳng từ đầu đến cuối ống.

b. Chế độ chảy quá độ: tia mực gợn sóng.

c. Chế độ chảy xoáy: tia mực cuộn xoáy và tan lẫn.

B – Thủy động lực học của chất lỏng 6. Thí nghiệm của Reynold xác định chế độ chuyển động của chất lỏng:

a. Chế độ chảy dòng: w nhỏ, các lớp chất lỏng trượt lên nhau

b. Chế độ chảy quá độ: tăng w, chất lỏng bắt đầu chuyển động theo cả phương

bán kính

c. Chế độ chảy xoáy: w lớn, chất lỏng chuyển động hỗn loạn theo cả hướng trục

và hướng bán kính.

Reynol làm thí nghiệm nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình w, d, ρ, μ,

đưa ra giá trị của chuẩn số Re cho các trường hợp:

2320 10.000

a. chất lỏng thực: 2320 < Re < 104

dòng quá độ xoáy

b. Chất lỏng thực và có các hạt rắn chuyển động cùng: 2 50

c. Chất lỏng thực chuyển động qua lớp hạt rắn: 50 70000

B – Thủy động lực học của chất lỏng

8. Dòng ổn định và không ổn định

Dòng ổn định

Dòng không ổn định

w=f(x,y,z) w=f(x,y,z,t)

p=g(x,y,z) p=g(x,y,z,t)

h=k (x,y,z) h=k (x,y,z,t)

B – Thủy động lực học của chất lỏng

10. Tính lưu lượng trong ống dẫn:

- Giả thiết: chất lỏng chảy trong ống có tiết diện tròn, choán đầy ống, liên tục,

không bị nén ép, ở nhiệt độ không đổi, có khối lượng riêng không đổi. Chất lỏng ở

- Do ma sát, các lớp chất lỏng chuyển động với vận tốc không đều, ma sát lớn nhất

chế độ chảy dòng, các lớp chất lỏng trượt lên nhau (song song).

tại thành ống, giảm dần vào tâm ống, nên wthành ống = 0, wtâm ống = wmax.

Lực ma sát tuân theo định luật Newton.

N1 N2 wr R r wmax Chất lỏng được cung cấp 1 động lực để P1 P2

N1 – N2 = (P1 – P2).π.r2 = ΔP. π.r2

thắng được lực ma sát: S = N1 – N2

B – Thủy động lực học của chất lỏng

10. Tính lưu lượng trong ống dẫn:

Tách biến, lấy tích phân hai vế:

Nhận xét:

- w = f(r2), profile vận tốc có dạng parabol.

- r = R, wR = 0

- r = 0,

N1 N2 wr R r wmax P1 P2

B – Thủy động lực học của chất lỏng

10. Tính lưu lượng trong ống dẫn:

Lưu lượng dòng qua tiết diện ống

dV = wr. 2πr.dr

có bề dày dr:

Mặt khác: V = wtb. πR2

Như vậy, ở chế độ chảy dòng: wtb = wmax/2

N1 N2 wr R r wmax P1 P2

Vận tốc phụ thuộc nhiều vào đường kính ống, cụ thể: tỷ lệ nghịch với d2.

B – Thủy động lực học của chất lỏng

Chế độ chảy dòng Chế độ chảy xoáy

wmax

wmax

wtb = wmax/2

wtb = (0,6 – 0,9).wmax

Ảnh hưởng của độ nhớt μ và nhiệt độ đến phân bố vận tốc:

μ1 t1

t1 > t2 μ2 t2 μ1 < μ2