10/28/2014
1
THỦY KHÍ
Giảng viên: TS. Phan Thị Tuyết Mai
Bộ môn: Công nghệ Hóa học –Khoa Hóa học
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQGHN
ĐT: 0976 898 472
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
NỘI DUNG MÔN HỌC
Chương 1: Lưu chất và tính chất của chất lưu
Chương 2: Tĩnh học chất lưu
Chương 3: Động lực học chất lưu
Chương 4: Lý thuyết phân tích thứ nguyên và
thuyết đồng dạng
Chương 5: Dòng chảy của chất lỏng trong ống dẫn
Chương 6: Vận chuyển chất lỏng và nén khí
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
TÀI LIỆU MÔN HỌC
Thủy khí, Bộ môn CNHH, Khoa Hóa học,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Kỹ thuật Thủy Khí, GS.TSKH. Vũ Duy Quang, NXB
Khoa học và Kỹ thuật, 2013.
Thủy lực ứng dụng trong công nghệ hóa học,
PGS.TS. Đỗ Ngọc Cử, NXB Bách Khoa-Hà Nội,2011.
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Chương 0: MỞ ĐẦU
1. Đối tượng, phương pháp nghiên cứu môn
học -Ứng dụng
2. Sơ lược về lịch sử môn học
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Đối tượng nghiên cứu
Chất lỏng
Chất lỏng ở thể nước: Chất lỏng không nén được (ρ= const)
Chất lỏng ở thể khí: Chất lỏng nén được (ρ≠ const)
Chất lỏng lý tưởng: Chất lỏng không nhớt (μ=0)
Chất lỏng thực: Chất lỏng nhớt (μ ≠0)
Chất lỏng Newton: Tuân theo quy luật về lực nhớt của Newton
Chất lỏng phi Newton: Không tuân theo quy luật này
Quy luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng
Tĩnh học chất lỏng: Nghiên cứu các điều kiện cân bằng của chất lỏng
ở trạng thái tĩnh
Động lực học chất lỏng: Nghiên cứu chuyển động của chất lỏng và
tác dụng tương hỗ của nó với vật rắn.
Ứng dụng vào máy thủy khí
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp lí thuyết:
Sử dụng các công cụ toán học (giải tích, phương trình vi phân..)
Sử dụng các định lý tổng quát của cơ học (định lý bảo toàn khối
lượng, năng lượng, định lí biến thiên động lượng, ba định luật trao
đổi nhiệt (Fourier), vật chất (Fick), động lượng (Newton).
Phương pháp thực nghiệm:
Dùng trong một số trường hợp mà không thể giải bằng lý thuyết,
như xác định hệ số cản cục bộ.
Phương pháp bán thực nghiệm:
Kết hợp giữa lí thuyết và thực nghiệm
10/28/2014
2
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Ứng dụng
Giao thông vận tải, hàng không, cơ khí
Công nghệ hóa học
Công nghệ môi trường
Nông nghiệp
Vi sinh
Vật liệu…
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Lịch sử phát triển
Acsimet (287-212 trước CN) – Thủy tĩnh –Lực đẩy Acsimet
Leona Đơvanhxi (1452-1519) – Lực cản
Jucopki (1847-1921) và Kutta –Lực nâng
Isaac Newton (1642–1727)
L. Ơle (1707-1783) và D. Becnuli (1700-1782):Thủy khí động lực
C.L.M.H. Navier (1785-1836) và S.G.G. Stokes (1819-
1903):
Chất lỏng thực
L. Prandtl (1875-1953): Lý thuyết lớp biên
Reynolds (-1883): Chảy tầng và chảy xoáy
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
LỰC
1 Newton = 1 N = 1 kg m/s2
1 pound = 1p = 1 lbf = 1 slug.ft/s2= 4,4482 N
Trong đó: lbf được sử dụng cho pound-lực
lb được sử dụng cho pound –khối lượng
F = m.a
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
ÁP SUẤT
1 atm = 1.013 ·10 5 Pa = 1,013 at = 760 mmHg = 760 torr
= 14.7 psi = 14.7 lbf/in2= 2116 lbf/ft2
P = F
A
Tofu Cookbook
Tofu Cookbook
30cm
5cm
15cm
P = 6N / (20cm.30cm)
= 100N/m2
P = 6N / (20cm.5cm )
= 600 N/m 2
P = 6N / (5cm· 30cm)
= 400 N/m 2
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Chương I
Lưu chất và tính chất của lưu chất
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Lưu Chất
A D
B B’ C C’
y
x
F
F
Hình 1.1 Sự biến dạng do các lực trượt
Lưu chất: Là chất lỏng biến dạng liên tục dưới tác dụng của các lực trượt.
Lưu chất ở trạng thái tĩnh: Không có lực trượt tác dụng, do vậy tất cả các
lực trong lưu chất đều phải vuông góc với mặt phẳng mà chúng tác dụng lên.
10/28/2014
3
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Khối lượng riêng
Trọng lượng riêng
Tỷ trọng riêng
Các tính chất đặc trưng của lưu chất
Kg/m3
N/m3
V
m
limρ0V
V
m
gρ
V
G
γ
V
G
limγ0V
G - trọng lượng của lưu chất, N;
g - gia tốc trọng trường, có trị số 9,81 m/s2.
1. Khối lượng riêng và trọng lượng thể riêng
4,n
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Hỗn hợp chất lỏng
1, 2...- khối lượng riêng của từng cấu tử
x1, x2...- thành phần thể tích
Khối lượng riêng chất khí
nn2211dd xρ...xρxρρ
nRTpV
pM
V
m
ρ
p - áp suất của khí, N/m2
T - nhiệt độ tuyệt đối của khí, oK
V - thể tích của khí, m3
R - hằng số khí, có trị số 8,3143 J.mol-1.K-1
M - khối lượng phân tử khí, kg/kmol
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Bài tập
Bài 1.1: Một thể tích 6m3dầu mỏ có trọng lượng 49835N.
γ=?, ρ=? Vr=?. Biết g = 9,81 m/s2
Bài 1.2. Khí CO2tại 300kPa và 600C. ρ=?
Biết RCO2 = 189 và g = 9,81 m/s2
Bài 1.3. Khí metan ở 500 kPa và 600C. ρ=?
Biết Rmetan = 518 và g= 9,81 m/s2
Bài 1.4. Nước và không khí ở T =1000C và p=5 atm.
Tính Biết Rkk = 287 ; ρnước = 958 kg/m3
kk
n
kg.K
J
kg.K
J
kg.K
J
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Bài 1.5. Cho hỗn hợp khí SO2, x1=0,1; SO3, x2=0,9
t=400oC, p=1,2 atm, 1 atm = 9.81x105(N/m2)
ρ =?
Bài 1.6. Cho hỗn hợp khí C3H8, x1=0,05; C2H6, x2=0.05,
CH4, x3=0.9; t=25oC, p=3 atm,
ρ =?
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
2. Tính nén và giãn nở của lưu chất
p
V
V
1
βV
, Pa-1
Hệ số nén thể tích
V - thể tích ban đầu của lưu chất;
V - độ thay đổi thể tích nói trên khi áp suất tăng lên một lượng là p.
Mô đun đàn hồi của lưu chất
V
0β
1
E
Pa
Hệ số giãn nở nhiệt
t
V
V
1
βt
V là độ chênh lệch thể tích khi nhiệt độ tăng lên một lượng t
0t
0t ttβ1
1
ρρ
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Bài tập
Bài 1.7. a) Xác định thể tích biến đổi của 1m3 ở 270C khi áp suất
tăng thêm 20,6x105Pa.
b) Khi tiến hành thí nghiệm với nước: P1= 34,34x105Pa
thì V1= 30 lít; P2= 245,25x105Pa thì V2= 29,7lít. E0 = ?
Bài 1.8. Một ống dẫn nước có d = 500mm và dài L = 1000m được
đổ đầy nước ở trạng thái tĩnh p = 4at và t=50C. Bỏ qua sự biến
dạng và giãn nở của ống. Xác định áp suất của ống dẫn khi đun
nước trong ống đến 150C.
Biết βt= 1,4x10-5 (độ-1); βv = (cm2/KG)
Nhận xét ?
Bài 1.9. Xác định sự thay đổi khối lượng riêng của nước từ t1=70C
đến t2=970C Biết βt= 400x10-6 (độ-1).
21000
1
10/28/2014
4
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
3. Tính nhớt của lưu chất
Độ nhớt động lực
Độ nhớt động học
dn
dv
S
μFms
,N
S - diện tích tiếp xúc giữa các lớp lưu chất, m2
dn
dv
- gradient vận tốc, s-1;
-độ nhớt động lực, N.s/m2.A
B
dn
dv v + dv
v
Hình 1.2. Nội ma sát trong lưu chất
ρ
μ
υ
,m2/s
1 P = 100 cP = 0.1 N.s.m-2 = 0.0102 kg.m-1.s-1
1 Ns.m-2 = 0,1kg.m-1.s-1 = 10 P = 1000 cP = 0.102 kg.m-1.s-1
St = 10-4 m2/s = 1 cm2/s
1 St = 100 cSt
Đơn vị đo là Stokes (St)
Đơn vị đo là Poase (P)
Tính nhớt là tính cản trở chuyển động của lưu chất. Nguyên nhân?
dn
dv
μ
S
F
τms
,N/m2
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Bài tập
Bài 1.10. Tính ứng suất trượt của dầu diesel ở 200C
Biết , dv = 3m/s và dn = 2 μm.
Bài 1.11. Tính độ nhớt động học của các chất lỏng ở 380C
?
sm
kg
C.
29,0
0
20
Dầu diesel Xăng Nước
μ(N.s/m2) 6,7.10-2 1,4.10-3 6,8.10-4
ρ(kg/m3) 880 824 993
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất đến độ nhớt
của lưu chất
Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến độ nhớt của lưu chất
Áp suất có ảnh hưởng vừa phải đến độ nhớt của lưu chất
Độ nhớt động lực, μ (cP)
Nhiệt độ, (0C)
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt
Chất lỏng:Nhiệt độ tăng độ nhớt giảm.
Chất khí: Nhiệt độ tăng độ nhớt tăng
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
10
20
30
40
50
60
70
0.004
0.006
0.012
0.010
0.008
0.014
0.016
0.002
Níc
Octan
nn
n
mb c
NhiÖt ®é, C
0
NhiÖt ®é, C
0
§ é nhí t , P (poa)
Độ nhớt của nước μ, (poa)
Độ nhớt của octan μ, (poa)
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Độ nhớt của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ
Tb
ea /
.
a, b: là các hằng số
Độ nhớt của nước biến đổi theo nhiệt độ
233
3
.10.221,0.10.8,361
10.79,1
tt
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Bài tập
Bài 1.12. Độ nhớt động lực của dầu nhờn ở 380C và 990C là:
= 0,067 N.s/m 2, = 0,011 N.s/m 2
Tính
Bài 1.13. Độ nhớt động lực của dầu diesel ở 3970C và 2870C
là
= 4,43.10-3N.s/m 2, = 0,39.10-3N.s/m 2,
Tính
)38( 0Cdau
)99( 0Cdau
?
)60( 0
Cdau
)287( 0Cdiesel
)397( 0Cdiesel
?
)337( 0
Cdiesel
10/28/2014
5
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Độ nhớt của chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ
2/3
0t 273
T
CT
C273
μμ
o-độ nhớt ở 00C (273K);
t-độ nhớt ở t0C ,T (K) T = t + 273.
C và otra ởcác sổ tay
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Bài tập
Bài 1.14. Độ nhớt động lực của không khí ở 150C là:
= 1,78.10-5 N.s/m 2. Tính
Bài 1.15. Độ nhớt động học của khí metan ở 150C và 1atm là:
= 1,59.10-5 m 2/s. Tính
Bài 1.16. Độ nhớt động học của khí nito ở 1500C và 1atm là:
= 1,22.10-5 m 2/s. Tính
)15( 0Ckk
?
)200( 0
Ckk
)1,15tan( 0atmCme
?
)2,200tan( 0
atmCme
)1,150( 0atmCnito
?
)5,1,30( 0
atmCnito
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Độ nhớt của chất lỏng phụ thuộc vào áp suất
Áp suất thấp: Ảnh hưởng không đáng kể đến độ nhớt
Áp suất cao: Có ảnh hưởng đến độ nhớt
)(
0
0
.PP
e
α là hằng số
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Bài tập
Bài 1.17. Xác định sự thay đổi độ nhớt của nước khi chịu
áp suất nén từ P1 = 105Pa đến P2 = 107Pa.
Cho biết α = 5,038.10-10
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
Độ nhớt của dung dịch phụ thuộc vào thành phần
...μlgxμlgxμlg 2211hh
trong đó 1,2-độ nhớt của các cấu tử trong hỗn hợp;
x1, x2- thành phần của các cấu tử.
Đối với hỗn hợp lỏng:
Đối với dung dịch:
φ5,41μμ ncdd
với < 10% thì
φ5,21μμ ncdd
trong đó nc -độ nhớt của chất lỏng nguyên chất;
-nồng độ thể tích của pha rắn trong dung dịch.
Thủy khí /Phan Thị Tuyết Mai -HUS
...
μ
Mx
μ
Mx
μ
M
2
22
1
11
hh
hh
Độ nhớt của hỗn hợp khí thuộc vào thành phần
trong đó Mhh, M1, M2...- khối lượng mol của hỗn hợp và từng cấu tử;
hh,1,2...- độ nhớt của hỗn hợp và từng cấu tử;
x1, x2... - thành phần của cấu tử trong hỗn hợp.
...
υ
x
υ
x
υ
1
2
2
1
1
hh
Với hh,1,2... - độ nhớt động học của hỗn hợp và từng cấu tử;
x1, x2... - thành phần mol hoặc thể tích của cấu tử trong hỗn hợp.
Độ nhớt động lực
Độ nhớt động học