Bài giảng Thủy lực và cấp thoát nước - ThS. Nguyễn Đăng Khoa

Chia sẻ: Tranthi Kimuyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:102

Thêm vào BST

Báo xấu

360
lượt xem 143
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Thủy lực và cấp thoát nước do ThS. Nguyễn Đăng Khoa biên soạn nhằm cung cấp cho người học một số kiến thức về thủy lực và cấp thoát nước như: Định nghĩa, đối tượng và phương pháp nghiên cứu thủy lực và cấp thoát nước, các tính chất cơ bản của lưu chất, lực tác dụng trong lưu chất. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Thủy lực và cấp thoát nước - ThS. Nguyễn Đăng Khoa

TOÅNG LIEÂN ÑOAØN LAO ÑOÄNG VIEÄT NAM TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC TOÂN ÑÖÙC THAÉNG ------------------o0o----------------  BAØI GIAÛNG  THUÛY LÖÏC VAØ CAÁP THOAÙT NÖÔÙC  NGAØNH XAÂY DÖÏNG DAÂN DUÏNG VAØ COÂNG NGHIEÄP & QUAÛN LYÙ ÑOÂ THÒ Giaùo vieân: ThS.NGUYEÃN ÑAÊNG KHOA 
CHÖÔNG 1: MÔÛ ÑAÀU I./ Ñònh nghóa moân hoïc, ñoái töôïng vaø phöông phaùp nghieân cöùu II./ Caùc tính chaát cô baûn cuûa löu chaát III./ Löïc taùc duïng trong löu chaát
CHÖÔNG 1: MÔÛ ÑAÀU I./ Ñònh nghóa moân hoïc, ñoái töôïng vaø phöông phaùp nghieân cöùu: 1./ Ñònh nghóa moân hoïc: -Cô löu chaát laø moät moân khoa hoïc nghieân cöùu caùc quy luaät chuyeån ñoäng vaø ñöùng yeân cuûa löu chaát vaø caùc quaù trình töông taùc löïc cuûa noù leân caùc vaät theå khaùc. 2./ Ñoái töôïng nghieân cöùu: Löu chaát goàm: chất lỏng, chất khí vaø plasma *Tính chaát : - Löïc lieân keát phaân töû yeáu -> coù hình daïng cuûa vaät chöùa noù. - Tính chaûy ñöôïc -> khoâng chòu löïc caét vaø löïc keùo - Tính lieân tuïc
I./ Ñònh nghóa moân hoïc, ñoái töôïng vaø phöông phaùp nghieân cöùu( tt) 3./ Phöông phaùp nghieân cöùu: - Caùc ñònh luaät Cô hoïc cuûa Newton vaø caùc ñònh luaät veà baûo toaøn vaø chuyeån hoaù trong cô hoïc caùc phöông trình moâ taû traïng thaùi giaûi u, p - Phöông phaùp giaûi: + phöông phaùp giaûi tích + phöông phaùp thöïc nghieäm
II./ Caùc tính chaát cô baûn cuûa löu chaát: 1./ Khoái löôïng rieâng : -Khoái löôïng rieâng laø khoái löôïng cuûa moät ñôn vò theå tích löu chaát. m  lim V V 0 Thöù nguyeân: [] = ML-3 Ñôn vò: kg/m3 - Troïng löôïng rieâng : laø löïc taùc duïng cuaû troïng tröôøng leân khoái löôïng cuûa moät ñôn vò theå tích chaát ñoù.  =  g Thöù nguyeân: [] = ML-3 Ñôn vò: kgf/m3 hay N/m3 - Tyû troïng: tyû soá giöõa troïng löôïng rieâng  cuûa moät chaát vôùi troïng löôïng rieâng cuûa nöôùc n ôû ñieàu kieän chuaån  = / n Ví duï: Tyû troïng cuûa thuûy ngaân ôû 200C laø 13,6
II./ Caùc tính chaát cô baûn cuûa löu chaát(tt): 2./ Khí lyù töôûng: Phöông trình traïng thaùi cuûa khí lyù töôûng: p =  RT +p laø aùp suaát tuyeät ñoái (N/m2= pascal= J/m3) +  laø khoái löôïng rieâng (kg/m3) +T laø nhieät ñoä tuyeät ñoái (ñoä Kelvin 0K) + R laø haèng soá, phuï thuoäc chaát khí + M laø phaân töû khoái cuûa chaát khí Ví duï: Moät bình coù theå tích 0,2m3, chöùa 0,5kg Nitrogen. Nhieät ñoä trong bình laø 200C. Xaùc ñònh aùp suaát khí trong bình? Giaûi: Giaû thieát khí Nitrogen laø khí lyù töôûng. Haèng soá khí lyù töôûng cuûa Nitrogen laø R= 0,2968kJ/kg.K. AÙp suaát tuyeät ñoái trong bình laø: 0,5kg kJ p  RT  x(273  20) K  218k Pa x0,2968 3 0,2m kg.K
II./ Caùc tính chaát cô baûn cuûa löu chaát(tt): 3./ Tính neùn ñöôïc: Suaát ñaøn hoài ñaëc tröng cho tính neùn ñöôïc cuûa löu chaát. - Ñoái vôùi chaát loûng:  Nöôùc ôû 200C coù En = 2,2x10 9N/m2 Löu chaát ñöôïc xem laø khoâng neùn ñöôïc khi khoái löôïng rieâng thay ñoåi khoâng ñaùng keå ( = const). Chaát loûng thöôøng ñöôïc xem laø khoâng neùn ñöôïc trong haàu heát caùc baøi toaùn kyõ thuaät. Ví duï: Moät xilanh chöùa 0,1 lít nöôùc ôû 200C. Neáu eùp piston ñeå theå tích giaûm 1% thí aùp suaát trong xilanh taêng leân bao nhieâu? Giaûi: ÔÛ 200C, suaát ñaøn hoài cuûa nöôùc En = 2,2x10 9N/m2 Theå tích giaûm 1%: dV/V = -1/100 Vaäy aùp suaát taêng: dP = -EndV/V = 2,2x109x10-2 = 2,2x107 N/m2 = 2,2x107Pa
- Ñoái vôùi chaát khí: + Neáu khí lyù töôûng vaø quaù trình neùn ñaúng nhieät (T = const) Töø phöông trình p =  RT => p/  = const hay pV = const + Neáu quaù trình neùn ñaúng entropi (quaù trình neùn khoâng ma saùt vaø khoâng coù söï trao ñoåi nhieät): p/pk = const k = cp/cv cp ‟ nhieät dung ñaúng aùp R = cp ‟ cv cv ‟ nhieät dung ñaúng tích dp E Vaän toác truyeàn aâm trong löu chaát: c   d  Ñoái vôùi khí lyù töôûng trong quaù trình neùn ñaúng entropi: kp c  kRT  Ví duï: khoâng khí ôû 15,50C vôùi k =1,4; R = 287 m2/s2K => vaän toác truyeàn aâm trong khoâng khí laø c= 340,5m/s. Nöôùc ôû 200C coù E = 2,2GN/m2 vaø =998,2kg/m3 => c =1484 m/s
Ví duï: Moät bình baèng theùp coù theå tích V = 0,2m3 chöùa ñaày nöôùc ôû ñieàu kieän chuaån. Tìm gia taêng aùp suaát nöôùc trong bình sau khi neùn theâm vaøo V’ = 2lít nöôùc ôû cuøng ñieàu kieän trong 2 tröôøng hôïp: 1/. Bình ñöôïc xem nhö tuyeät ñoái cöùng; 2/. Bình daõn nôû. Theå tích bình gia taêng = 0,01%/at cho moãi at aùp suaát gia taêng. Giaûi: 1/. Bình tuyeät ñoái cöùng: Khoái nöôùc ban ñaàu ñöôïc xeùt laø: Vb+ V’ = 0,202m3 Theå tích nöôùc sau khi neùn laø theå tích bình Vb = 0,2 m3 Vaäy ñoä gia taêng aùp suaát laø: V (Vb )  (Vb  V ' ) p   E  E Vb  V ' V 0,002  2,2 x10 x  2,18 x107 Pa  222at 9 0,202
2/.Neáu bình daõn. Sau khi neùn, theå tích khoái nöôùc laø theå tích bình ñaõ daõn Vbs = Vb[1+p] Bieán thieân theå tích nöôùc sau khi neùn laø: V = Vbs - (Vb + V’) = Vb[1+p] ‟ (Vb+ V’) = pVb ‟ V’ pVb  V ' Vaäy: p   E Vb  V ' Suy ra V 'E p  Vb E  Vb  V ' 2,2.109 Pa E  2,24.104 at 98100 Pa / at (0,002m3 ) x(2,24.104 at )  0,0001x(0,2m3 ) x(2,24.104 at )  0,202m3 ) =68,9 at.
II./ Caùc tính chaát cô baûn cuûa löu chaát(tt): 4./ Tính nhôùt: y u Löu chaát khoâng coù khaû naêng chòu u+du löïc caét, khi coù löïc naøy taùc duïng, noù seõ dy chaûy vaø xuaát hieän löïc ma saùt beân trong. u du x Chia löu chaát thaønh caùc lôùp song song, öùng suaát ma saùt giöõa caùc lôùp do söï chuyeån ñoäng töông ñoái giöõa chuùng phuï thuoäc vaøo gradient vaän toác du/dy. Ñaëc tröng cho ma saùt giöaõ caùc phaàn töû löu chaát trong chuyeån ñoäng => Ñònh luaät ma saùt nhôùt Newton du   dy : öùng suaát tieáp, ñôn vò N/m2=Pa : ñoä nhôùt ñoäng löïc hoïc, thöù nguyeân [] = FTL-2, ñôn vò N.s/m2 du/dy: suaát bieán daïng hay bieán thieân vaän toác theo phöông thaúng goùc vôùi chuyeån ñoäng
*Löu chaát Newton laø caùc löu chaát coù öùng suaát tieáp tæ leä thuaän vôùi suaát bieán daïng. * Löu chaát phi Newton laø caùc löu chaát coù öùng suaát tieáp khoâng tæ leä vôùi suaát bieán daïng Ñoä nhôùt ñoäng löïc hoïc : laø moät ñaëc tính cuûa löu chaát lieân quan ñeán öùng suaát tieáp vaø chuyeån ñoäng cuûa löu chaát ñoù.Vôùi löu chaát Newton,  laø haèng soá phuïï thuoäc loaïi löu chaát * Ñoä nhôùt cuûa chaát loûng giaûm khi nhieät ñoä taêng do caùc phaân töû chaát loûng naèm saùt nhau, huùt laãn nhau vôùi moät löïc huùt maïnh vaø löïc caûn giöõa caùc lôùp chaát loûng chuyeån ñoäng töông ñoái phuï thuoäc vaøo löïc huùt phaân töû naøy. Khi nhieät ñoä taêng, löïc huùt giaûm => giaûm löïc caûn.
* Ñoä nhôùt cuûa chaát khí taêng khi nhieät ñoä taêng do khoaûng caùch giöõa caùc phaân töû khí lôùn, löïc huùt phaân töû khoâng ñaùng keå. Khi caùc lôùp phaân töû khí chuyeån ñoäng töông ñoái, löïc caûn sinh ra do söï trao ñoåi ñoäng löôïng cuûa caùc phaân töû khí ôû caùc lôùp saùt nhau. Caùc phaân töû khí coù theå bò mang ñi do chuyeån ñoäng hoãn loaïn töø vuøng coù vaän toác maïch ñoäng nhoû sang vuøng coù vaän toác maïch ñoäng lôùn vaø ngöôïc laïi. Khi nhieät ñoä taêng thì chuyeån ñoäng hoãn loaïn caøng taêng do ñoù ñoä nhôùt taêng. Coâng thöùc Sutherland (duøng cho chaát khí): CT 3 / 2  (C,S laø haèng soá) T S Coâng thöùc Andrade (duøng cho chaát loûng):  = DeB/T (D, B laø caùc haèng soá) T : nhieät ñoä tuyeät ñoái
Ví duï: Chaát loûng Newton (heä soá nhôùt 1,9152 Pa.s) chaûy giöõa hai taám phaúng song song, vôùi vaän toác phaân boá theo quy luaät: 3V   y   2 u 1     2  h    V laø vaän toác trung bình. Vôùi V = 0,6m/s vaø h = 0,51m. Tính öùng suaát tieáp taùc duïng leân taám döôùi vaø taïi ñieåm giöõa. Giaûi: ÖÙng suaát tieáp ñöôïc tính töø coâng thöùc:    du dy Ta coù: du 3Vy  2 dy h du 3V  taámdöôùi    dy h y h 3(0,6m / s)  taámdöôùi  (1,9152 Pa ).  6,759 N / m2 Taïi ñieåm giöõa: y=0, du/dy = 0 (0,51m) =>  =0
II./ Caùc tính chaát cô baûn cuûa löu chaát(tt): 5./ AÙp suaát hôi: AÙp suaát hôi cuûa chaát loûng laø aùp suaát cuïc boä cuûa phaàn hôi treân beà maët tieáp xuùc vôùi chaát loûng baõo hoaø ôû moät nhieät ñoä nhaát ñònh. Taïi moät soá vuøng naøo ñoù trong doøng chaûy neáu aùp suaát tuyeät ñoái nhoû hôn giaù trò aùp suaát hôi, chaát loûng seõ taïo boït. Caùc boït khí naøy khi vôõ seõ gaây toån haïi ñeán beà maët cuûa thaønh raén goïi laø hieän töôïng xaâm thöïc khí. 6./ Söùc caêng beà maët vaø hieän töôïng mao daãn: Söùc caêng beà maët  laø löïc huùt phaân töû treân moät ñôn vò chieàu daøi cuûa beà maët chaát loûng. Thöù nguyeân [ ] = F/L, ñôn vò: N/m (SI) Cheânh leäch aùp suaát beân trong vaø beân ngoaøi cuûa voøng troøn dieän tích R2 laø: p =pi ‟ pe =2/R Löïc taùc duïng leân nöûa haït chaát loûng
Hieän töôïng mao daãn xuaát hieän trong caùc oáng nhoû, taïi maët giao tieáp raén ‟ loûng ‟ khí, gaây ra bôûi söùc caêng beà maët: 2 cos  h R Ví duï: Xaùc ñònh ñöôøng kính nhoû nhaát cuûa oáng thuyû tinh saïch (   00) sao cho ñoä daâng cuûa nöôùc 200C trong oáng do hieän töôïng mao daãn khoâng quaù 1mm. Giaûi: Töø h  2 cos  . Suy ra: R =2cos/R. R Nöôùc ôû 200C coù  = 0,0728 N/m vaø  =9789 N/m3. Vì   00neân ñeå coù h = 1mm thì R  2(0,07283N / m3  0,0149m ) (9789 N / m )(10 m) Ñöôøng kính oáng nhoû nhaát laø : D = 2R = 0,0298m
III. Löïc taùc duïng trong löu chaát: Löïc taùc duïng chæ coù löïc phaân boá vaø ñöôïc chia thaønh 2 loïai: +Noäi löïc +Ngoaïi löïc Ngoïai löïc goàm löïc khoái vaø löïc maët 1./ Löïc khoái: Laø ngoïai löïc taùc duïng leân moïi phaàn töû cuûa theå tích löu chaát vaø tyû leä vôùi khoái löôïng löu chaát - Vector cöôøng ñoä löïc khoái F f F  lim V Ví duï: V 0 A Troïng löïc: Fg Löïc quaùn tính: V, V F  a Löïc ly taâm: f F  2r
III. Löïc taùc duïng trong löu chaát(tt): 2./Löïc maët: Laø ngoïai löïc taùc duïng leân theå tích löu chaát thoâng qua beà maët bao boïc vaø tyû leä vôùi dieän tích beà maët. - Vector öùng suaát  f f   lim S S 0 S Ví duï: A AÙp suaát ÖÙng suaát ma saùt Traïng thaùi öùng suaát  xx  xy  xz        yx  yy  yz  (ij = ji)      zx zz  zy ÖÙng suaát treân maët baát kyø: x  n   n nx   y n y   z nz y z
CHÖÔNG 2: TÓNH HOÏC LÖU CHAÁT I./ Khaùi nieäm II./ Ño aùp suaát III./ Löu chaát tónh trong tröôøng troïng löïc IV./ Tónh töông ñoái
CHÖÔNG 2: TÓNH HOÏC LÖU CHAÁT I./ Khaùi nieäm: Trong chöông naøy, löu chaát ôû traïng thaùi ñöùng yeân hay chuyeån ñoäng, nhöng khoâng coù chuyeån ñoäng töông ñoái giöõa caùc phaàn töû. - Khoâng coù öùng suaát tieáp. - Löïc maët taùc duïng chæ laø aùp löïc 1./ AÙp suaát taïi moät ñieåm: AÙp suaát laø löïc phaùp tuyeán treân moät ñôn vò dieän tích Fn dFn p  lim  A0 A dA Giaù trò aùp suaát taïi 1 ñieåm trong löu chaát ñöùng yeân khoâng phuï thuoäc höôùng ñaët cuûa dieän tích chòu löïc Px = Py =Pz Giaù trò aùp suaát phuï thuoäc toïa ñoä ñieåm: p = f(x,y,z)