Bài Giảng Thủy Khí Động Lực Học Ứng Dụng

Chia sẻ: Nguyễn Đình Quý | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:40

Thêm vào BST

Báo xấu

281
lượt xem 44
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thủy khí động lực ứng dụng là một môn khoa học thuộc lĩnh vực Cơ học , nghiên cứu các quy luật chuyển động và đứng yên của chất lỏng-chất khí và các quá trình tương tác lực của nó lên các vật thể khác. Cơ học lý thuyết Cơ học vật rắn biến dạng

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài Giảng Thủy Khí Động Lực Học Ứng Dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Tp.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Bài Giảng Thủy Khí Động Lực Học Ứng Dụng Th.S Phạm Văn Hưng Email : pvanhung01@gmail.com 1
Tài Liệu Tham Khảo [1]. Lương Ngọc Lợi .Cơ học thủy khí ứng dụng. - NXB Bách Khoa Hà Nội, 2011. [2]. Tập thể tác giả Giảng Viên Bộ Môn Cơ Lưu Chất .Giáo trình Cơ Lưu Chất – NXB ĐH Bách Khoa Tp.HCM, 1997. [3]. Vũ Văn Tảo, Nguyễn Cảnh Cầm. Thủy Lực tập 1- NXB Nông Nghiệp, 2006. [4]. Hoàng Đức Liên. Kỹ thuật Thủy Khí-NXB ĐH Nông Nghiệp Hà Nội, 2007. 2
Nội dung Môn học Chương Nội Dung Số tiết 1 Tính chất vật lý cơ bản của lưu chất 3 2 Tĩnh học lưu chất 6 3 Động học lưu chất 5 4 Động lực học lưu chất 6 5 Chuyển động một chiều của chất lỏng không nén 5 được 6 Chuyển động một chiều của chất khí 2 7 Cơ sở lý thuyết thứ nguyên, tương tự 3 3
CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA LƯU CHẤT 1.1.KHÁI QUÁT 1.2.CÁC TÍNH CHẤT CỦA LƯU CHẤT ( LC) 1.3. LỰC TÁC DỤNG TRONG LƯU CHẤT 4
1.1. KHÁI QUÁT 1.1.1.Định nghĩa môn học Thủy khí động lực ứng dụng là một môn khoa học thuộc lĩnh vực Cơ học , nghiên cứu các quy luật chuyển động ( CĐ) và đứng yên của chất lỏng-chất khí và các quá trình tương tác lực của nó lên các vật thể khác. Cơ học lý thuyết Cơ học vật rắn biến dạng Cơ học Cơ học đất Cơ LC Cơ LC ... Thuỷ lực Khí động lực học 5
1.1.1.Định nghĩa môn học Archimedes Newton Leibniz Bernoulli Euler (C. 287-212 BC) (1642-1727) (1646-1716) (1667-1748) (1707-1783) Navier Stokes Reynolds Prandtl Taylor (1785-1836) (1819-1903) (1842-1912) (1875-1953) (1886-1975) 6
• Tìm hiểu cấu trúc của dòng chuyển động (CĐ) và tính toán phân bố của như áp suất (AS) , vận tốc (VT) , nhiệt độ, khối lượng riêng (KLR); dòng CĐ qua những cố thể rắn , tính toán mất năng trong đường ống dẫn dầu, dòng CĐ qua quạt, máy bơm, máy nén …, điều khiển và ổn định dòng CĐ. Trong môn học này, nghiên cứu đặc tính, ứng xử và diễn biến cơ học của một môi trường vật chất riêng biệt – đó là LC. 7
1.1.2. Đối tượng nghiên cứu •Lưu chất gồm: chất lỏng, chất khí • Chất rắn Chất lỏng Chất khí Hình dạng Xác định Phụ thuộc vào Không xác định, hình dạng bình chiếm toàn bộ thể chứa tích bình chứa Lực liên kết Rất lớn Yếu Rất yếu phân tử Ứng xử dưới • Đàn hồi, biến • Chịu được biến dạng lớn không tác động của dạng hữu hạn đàn hồi dưới tác động của lực nhỏ lực • CĐ hạn chế • Biến dạng liên tục và không có trong phạm vi khả năng chống lại sự thay đổi do đàn hồi lực • CĐ phức tạp: tịnh tiến và quay 8
1.1.2. Đối tượng nghiên cứu lưu chất  Chất lỏng và chất khí: lưu chất – môi trường liên tục, mô tả đặc trưng của LC (áp suất, vận tốc, KLR, nhiệt độ..) tại một điểm (x,y,z) bất kỳ tại một thời điểm t tùy ý như là các hàm liên tục.  Tính chất ảnh hưởng rõ nét nhất đến sự khác biệt của chất khí và lỏng là tính nén được – sự thay đổi của KLR. Thông thường, chất lỏng là LC không nén được (KLR là hằng số) và chất khí là LC dễ nén. 9
1.1.2. Đối tượng nghiên cứu lưu chất  Lý thuyết về chất lỏng và chất khí tương tự như nhau cho trường hợp CĐ với vận tốc thấp khi ảnh hưởng của tính nén được của LC có thể được bỏ qua.  Khi CĐ ở vận tốc lớn (số Mach>0.3: vận tốc CĐ lớn hơn 0.3 lần vận tốc âm thanh), đặc tính chịu nén của chất khí có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất dòng CĐ chất khí được nghiên cứu bằng lý thuyết riêng: khí động lực học. 10
1.1.3. Phương pháp nghiên cứu  Ứng xử của LC ở trạng thái tĩnh và động  Ứng xử và tương tác giữa LC và thành rắn/cố thể • Nội lưu: LC được chứa đựng hay bao quanh bởi thành rắn: bài toán CĐ lưu chất, chuyển biến năng lượng của dòng CĐ thành cơ năng hay nhiệt năng dưới dạng khí nén, hơi nước, nước nóng… • Ngoại lưu: LC bao quanh cố thể.  Trường LC được phân chia thành những phần tử đủ nhỏ để được xem là đồng nhất, gọi là phần tử LC. Sự trao đổi và tương tác ớ cấp độ phân tử giữa các phần tử LC kế cận: khối lượng, động lượng, năng lượng. 11
1.1.3. Phương pháp nghiên cứu  Dựa trên nền tảng các nguyên lý cơ bản của cơ học cổ điển và nhiệt động lực học: • Định luật bảo toàn khối lượng (pt liên tục) • Định luật bảo toàn động lượng (định luật II Newton) • Định luật bảo toàn năng lượng PP giải tích: xây dựng cơ sở lý thuyết dựa trên đặc tính về hình học và các giả thiết tính toán. (LC không ma sát, không nén được…) để giải các pt bảo toàn lý thuyết nghiên cứu cổ điển, ứng dụng cho một số vấn đề cụ thể. 12
1.1.3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp( PP) tính toán mô phỏng số: giải các pt bảo toàn cho các bài toán phức tạp mà PP giải tích không thực hiện được nhờ máy tính và các công cụ tính toán. PP thực nghiệm ( TN) : sử dụng kết quả TN , phân tích tổng hợp để đưa ra các quy luật mô tả trạng thái và ứng xử của LC công thức TN, bổ sung cho lý thuyết và giúp kiểm chứng các lời giải bằng PP giải tích và PP số. 13
1.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA LƯU CHẤT 1.2.1.Khối lượng riêng  (kg/m3)  KLR là khối lượng của một đơn vị thể tích LC Thứ nguyên: [] = ML-3 A V, m Đơn vị: kg/m3  Trọng lượng riêng  (gamma): là lực tác dụng cuả trọng trường lên khối lượng của một đơn vị thể tích chất đó. Đ.lượng Nước K.khí T.ngân  = .g Thứ nguyên : [] = ML-2T-2 3 hay N/m3 , kg/m3 1000 1,228 13,6.103 Đơn vị: kgf/m , N/m3 9,81.103 12,07 133.103  Tỷ trọng: tỷ số giữa trọng lượng riêng  của một chất với trọng lượng riêng của nước n ở điều kiện chuẩn.  = / n 14
1.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA LƯU CHẤT 1.2.3. Tính nén được Suất đàn hồi đặc trưng cho tính nén được của LC. • Đối với chất lỏng P V p Nước ở 200C có En = 2,2x10 9N/m2 • LC được xem là không nén được khi  thay đổi không đáng kể ( = const ). Chất lỏng thường được xem là không nén được trong hầu hết các bài toán kỹ thuật. Ví dụ 1: Một xilanh chứa 0,1 lít nước ở 200C. Nếu ép piston để thể tích giảm 1% thí áp suất trong xilanh tăng lên bao nhiêu? Giải: Ở 200C, suất đàn hồi của nước En = 2,2x10 9N/m2 Thể tích giảm 1%: dV/V = -1/100 Vậy áp suất tăng: dP = -EndV/V = 2,2x109x10-2 = 2,2x107 N/m2 • = 2,2x107Pa 15
Ví dụ 2 : Một bình bằng thép có thể tích tăng 1% khi áp suất tăng thêm 70Mpa. Ở điều kiện trạng thái áp suất p=101,3Kpa bình chứa đầy 450kg nước . Ở 200C, suất đàn hồi của nước En = 2,2x10 9N/m2 Hỏi khối lượng nước cần thêm vào để tăng áp suất lên thêm 70Mpa ? Giải 450 Vn1  Vb1   0, 45(m3 ) 1000 1 1 Vn   K Vn P  Vn   Vn P  0, 45.70.106  63  0, 0153(m3 ) K 2, 06.109 4120 16
Thể tích nước giảm 0,0153 m3 Khi tăng áp suất thêm 70Mpa thể tích bình tăng thêm: Vb  1%.0, 45  4,5.103 m3 Khối lượng riêng của nước khi áp suất tăng thêm 70Mpa: 450 2   1035, 2(kg / m3 ) 0, 45  0, 0153 Vậy khối lượng nước cần thêm vào để áp suất tăng thêm 70Mpa là: m  2 (Vn  Vb )  1035, 2.(0,0153  4,5.10 )3 Vậy m = 20, 497 kg 17
1.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA LƯU CHẤT Đối với chất khí Sử dụng pt trạng thái của khí lý tưởng: p = .R.T p: áp suất tuyệt đối (N/m2= Pascal= J/m3) : khối lượng riêng (kg/m3) T: nhiệt độ tuyệt đối (K) R: hằng số, phụ thuộc chất khí M: phân tử khối của chất khí Ví dụ 3:Một bình có thể tích 0,2m3, chứa 0,5kg Nitrogen. Nhiệt độ trong bình là 200C. Xác định áp suất khí trong bình? Giải: Giả thiết khí Nitrogen là khí lý tưởng. Hằng số khí lý tưởng của Nitrogen là R= 0,2968kJ/kg.K. Áp suất tuyệt đối trong bình là: 18
1.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA LƯU CHẤT + Nếu khí lý tưởng và quá trình nén đẳng nhiệt (T = const) Từ phương trình p =  RT  p/  = const hay pV = const + Nếu quá trình nén đẳng entropi (quá trình nén không ma sát và không có sự trao đổi nhiệt): p/pk = const k = cp/cv cp – nhiệt dung đẳng áp R = cp – cv cv – nhiệt dung đẳng tích Vận tốc truyền âm trong lưu chất: c  dp E  d  19
1.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA LƯU CHẤT Đối với khí lý tưởng trong quá trình nén đẳng entropi: kp c  kRT  Ví dụ 3: không khí ở 15,50C với k =1,4; R = 287 m2/s2K  vận tốc truyền âm trong không khí là c= 340,5m/s. Nước ở 200C có E = 2,2GN/m2 và =998,2kg/m3  c =1484 m/s 20