Bài giảng Thủy lực môi trường: Chương 1

Bài giảng

THỦY LỰC MÔI TRƯỜNG

GV: Trần Đức Thảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

 Giáo trình chính: [1] PGS. TS. Vương Đình Đước, Thủy lực môi trường, Trường ĐH Công nghiệp thực phẩm thành phố Hồ Chí Minh, 2013.

 Giáo trình tham khảo:

[1] TS. Huỳnh Phú, Thủy lực môi trường, Viện Khoa học công nghệ & Quản lý môi trường – ĐH Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh, 2008. [2] Nhóm tác giả, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất (tập 1 & tập 2), NXB. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006. [3] Phùng Văn Khương, Trần Đình Nghiên, Phạm Văn Vĩnh, Thủy lực đại cương, ĐH GTVT.

 Giáo trình tham khảo:

[4] Trần Văn Bắc, Thủy lực đại cương, ĐH Bách khoa Hà Nội, 2003. [5] Hoàng Đức Liên, Thủy lực và cấp thoát nước trong nông nghiệp, ĐH Nông nghiệp, 2005. [6]. Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Ngọc Tảo, Thủy lực, ĐH Thủy lợi, 2007. [7]. Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Ngọc Tảo, Bài tập thủy lực, ĐH Thủy lợi, 2007.

NỘI DUNG MÔN HỌC

 Chương 1: Mở đầu  Chương 2: Tĩnh học của chất lỏng  Chương 3: Cơ sở động lực học chất lỏng  Chương 4: Tổn thất thủy lực  Chương 5: Dòng chảy qua lỗ và vòi – Dòng tia  Chương 6: Dòng chảy ổn định trong ống có áp  Chương 7: Dòng chảy đều trong kênh hở

Chương 1: Mở đầu

NỘI DUNG CHƯƠNG 1

1.1. Nội dung môn học 1.2. Sơ lược lịch sử phát triển môn thủy lực 1.3. Khái niệm về chất lỏng trong thủy lực 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của chất lỏng 1.5. Lực tác dụng

1.1. Nội dung môn học

 Thủy lực là 1 môn Khoa học → quy luật cân

bằng và chuyển động của chất lỏng và ứng dụng chúng vào thực tiễn. → Môn khoa học ứng dụng và rất cần thiết cho các cán bộ kỹ thuật.  Nội dung môn học: Thủy tĩnh và thủy động. → Đây là môn học cơ sở cho các ngành KT: cấp thoát nước, thủy lợi, môi trường,…

1.2. Sơ lược lịch sử phát triển môn thủy lực

 Thủy lực có lịch sử phát triển rất lâu đời, từ khi con người biết lợi dụng sức nước để phục vụ sinh hoạt, nông nghiệp, thủy lợi,…

 Acsimet (250 TCN) là nhà bác học đầu tiên đặt nền móng về thủy lực thông qua định luật về vật nổi.

 Sang TK 18, 19 thủy lực đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là từ khi xuất hiện định luật Becnoulli.

1.2. Sơ lược lịch sử phát triển môn thủy lực

 Sau đó thủy lực tiếp tục phát triển và nhiều nhà khoa học đã có những công trình nghiên cứu hết Sêdi, Đácxi, Raynolds, sức Giucốpski,…

quan trọng:

1.3. Khái niệm về chất lỏng trong thủy lực

 Chất lỏng có mối liên hệ cơ học giữa các phân tử trong nó rất yếu nên chất lỏng có tính dễ di động, dễ chảy (tính chảy).

 Do khoảng cách giữa các phần tử chất lỏng rất nhỏ → sức dính rất lớn làm cho chất lỏng giữ được thể tích không đổi khi bị thay đổi áp lực, nhiệt độ (chống lại sức nén).

 Chất lỏng còn được coi là chất chảy dạng hạt.

1.3. Khái niệm về chất lỏng trong thủy lực

 Trong thủy lực, chất

lỏng được coi như môi trường liên tục → chỉ nghiên cứu những vận động cơ học của chất lỏng dưới tác dụng của ngoại lực.

→ Trong môn thủy lực, các nghiên cứu và tính toán được dựa trên giả thuyết cơ bản là có tính liên tục, tính chảy và tính không nén được.

1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL

mkg /

M= V

 Đvới nước, KL đơn vị lấy bằng khối lượng của đơn vị thể tích nước cất ở +40C, ρ = 1000 kg/m3

a. Khối lượng:  Biểu thị bằng khối lượng đơn vị (ρ – KL riêng)  Đối với chất lỏng đồng nhất, KL đơn vị được tính bằng tỷ số khối lượng (M) và thể tích (V):

1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL

mN /

=  .

M V

G V

 Trong đó: G – Trọng lượng  Đvới nước, ở +40C, γ= 9810 N/m3

b. Trọng lượng:  Biểu thị bằng trọng lượng đơn vị (γ – TL riêng)  Đối với chất lỏng đồng nhất, TL đơn vị được tính bằng tích số của KLR (ρ) với gia tốc rơi tự do (g = 9,81m/s2):

1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL

 Hầu như CL không thay đổi thể tích khi thay đổi

2 / Nm

-=

c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và nhiệt độ:

1 W

dW dp

 Trong đó: βw – hệ số co thể tích; dW – độ giảm

áp suất và nhiệt độ.  Khi thay đổi áp suất:

thể tích tương ứng với độ tăng áp suất dp.

1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL

 Trong phạm vi: p = 1 – 500at và t = 0 – 200C thì

c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và nhiệt độ:

 Mô đun đàn hồi (K):

mN /

dp dW

1  w

βw =0,00005cm2/kG ~ 0

1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL

c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và nhiệt độ:

 Khi thay đổi nhiệt độ: 1 = Wt

dW dt  Trong đó: βt – hệ số dãn nở vì nhiệt; dW – độ biến đổi thể tích W ứng với sự tăng nhiệt độ lên 10C.

 T= 4 – 100C, p = const → βt = 0,000015 0C-1 ~ 0

Ví dụ 1: Noài aùp löïc goàm phaàn truï troøn coù ñöôøng kính d=1000mm, daøi l=2m; ñaùy vaø naép coù daïng baùn caàu. Noài chöùa ñaày nöôùc vôùi aùp suaát p0. Xaùc ñònh theå tích nöôùc caàn neùn theâm vaøo noài ñeå taêng aùp suaát trong noài töø p0=0 ñeán p1=1000at. Bieát heä soá neùn cuûa nöôùc laø βp=4,112.10-5 cm2/kgf=4,19.10-10 m2/N. Xem nhö bình khoâng giaûn nôû khi neùn.

Ví dụ 2: Daàu moû ñöôïc neùn trong xi lanh baèng theùp thaønh daøy tieát dieän ñeàu nhö hình veõ. Xem nhö theùp khoâng ñaøn hoài. Coät daàu tröôùc khi neùn laø h=1,5 m vaø möïc thuyû ngaân naèm ôû vò trí A-A. Sau khi neùn, aùp suaát taêng töø 0 at leân 50 at, thì möïc thuyû ngaân dòch chuyeån leân moät khoaûng Δh=4 mm. Tính suaát ñaøn hoài cuûa daàu moû

1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL

 Sự xuất hiện sức căng mặt ngoài của CL là để cân bằng sức hút của CL tại vùng lân cận mặt tự do vì ở phần này sức hút giữa phân tử CL không cân bằng nhau như ở vùng xa mặt tự do → CL có khuynh hướng giảm nhỏ diện tích mặt tự do

d. Sức căng mặt ngoài:  CL có khả năng chịu được ứng suất kéo không lớn tác dụng lên mặt tự do, phân chia CL với chất khí hoặc mặt tiếp xúc CL với chất rắn.

1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL

 Trong đa số trường hợp thủy lực, không xét đến ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài vì trị số nhỏ so với những lực khác.

d. Sức căng mặt ngoài: → làm mặt tự do có độ cong nhất định.  Sức căng mặt ngoài được biểu thị bằng hệ số σ – biểu thị sức kéo dính trên một đơn vị dài của đường tiếp xúc, phụ thuộc: nhiệt độ và bản chất của CL.

1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL

 Tính nhớt (υ) là biểu thị sức dính của các phân tử

e. Tính nhớt:  Rất quan trọng → nguyên nhân gây tổn thất NL khi CL chuyển động.

=

 , 

 Trong đó: υ–độ nhớt động học (m2/s hoặc cm2/s (Stock); μ–độ nhớt động lực học; ρ–khối lượng riêng.

CL. Tính nhớt giảm khi tăng nhiệt độ.

1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL

e. Tính nhớt:  1886, Newton đã đưa ra định luật ma sát: sức ma sát giữa các lớp CL chuyển động tỷ lệ thuận với diện tích tiếp xúc của các lớp ấy, không phụ thuộc vào áp lực mà phụ thuộc vào vận tốc và loại chất lỏng.