Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương - Chương 1 pptx

Ngoài những lực tác động giữa chất lỏng và những biên của nó, cần nghiên cứu những thuộc tính khác nhau của chất lỏng và các hiệu ứng của chúng lên bức tranh dòng chảy.. Ngoài các định l

Chương 1 Mở đầu

1.1 Nền tảng lịch sử

Cơ học chất lỏng là môn học nghiên cứu về hành vi của chất lỏng ở trạng thái đứng yên và chuyển động Ngoài những lực tác động giữa chất lỏng và những biên của nó, cần nghiên cứu những thuộc tính khác nhau của chất lỏng và các hiệu ứng của chúng lên bức tranh dòng chảy Để giải thích trạng thái chất lỏng quan sát được và để dự báo trạng thái chất lỏng, việc nghiên cứu và ứng dụng những định luật cơ bản (bảo toàn khối lượng và động lượng) là rất quan trọng

ở đây, chỉ xem xét những dòng chảy có mặt tự do, đó là dòng chảy trong sông, cửa sông, biển và đại dương

ứng dụng của cơ học chất lỏng bắt đầu ở việc liên hệ với chuyển động của đá, giáo mác, và những mũi tên Các con tàu với những cánh buồm được sử dụng rất sớm từ các năm 3000 trước Công nguyên Những hệ thống thuỷ lợi đã được tìm thấy trong những

đống đổ nát thời tiền sử ở cả Ai cập và Mesopotamia Aristotle (thế kỷ thứ IV trước Công nguyên) đã nghiên cứu chuyển động của những vật thể trong môi trường mỏng và xốp Acsimet (thế kỷ thứ III trước Công nguyên) đã thiết lập những định luật nổi tiếng

về vật nổi

Những cống dẫn nước La mã được xây dựng vào thế kỷ thứ IV trước Công nguyên, mặc dầu các bằng chứng ghi lại chỉ ra rằng những người xây dựng không hiểu gì về sức cản trong đường ống Da Vinci (1452- 1519) đã mô tả chính xác nhiều hiện tượng dòng chảy Gallleo (1564 -1642) đóng góp nhiều cho khoa học cơ học

Trường phái thủy lực của Italia gồm Gastelli (1577-1644), Torricelli (1608 -1647)

và Guglielmini (1655-1710), và những ý tưởng liên quan đến phương trình liên tục của dòng ổn định trong sông, dòng chảy từ một bể chứa, áp kế, và một vài khái niệm định tính về sức cản của dòng chảy trong sông đều đến từ họ Ngoài các định luật chuyển

động nổi tiếng của mình, Newton (1642-1727) đã đề xuất rằng sức cản chất lỏng tỷ lệ với građien vận tốc, và ông cũng làm thí nghiệm về sức cản của những vật hình cầu Bốn nhà toán học thế kỷ thứ mười tám: Daniel Bernoulli và Leonhard Euler (Thụy Sỹ) và Clairaut và D'Alembert (Pháp) đã đưa toán học vào cơ học chất lỏng - thủy động lực học Sau đó Lagrange (1736-1813), Laplace (1749 -1827) và kỹ sư Gerstner (1756-1832) kế tục họ, đã khảo sát những ý tưởng về sóng mặt

Những nhà thực nghiệm của thế kỷ mười tám còn đóng góp rất nhiều Trong số họ

có Pitot, người đã phát triển ống đo vận tốc; Chezy, người phát triển công thức sức cản

đối với lòng dẫn hở; Borda, người thực hiện nhiều thí nghiệm liên quan đến dòng chảy qua lỗ; Bossut, người xây dựng bể kéo chìm, và Venturi, người làm thực nghiệm dòng chảy qua mặt cắt ngang biến đổi

Trong thế kỷ mười chín, một người Pháp là Coulomb (1736-1806) đã chỉ đạo các

kiểm nghiệm và rút ra những kết luận liên quan đến sức cản dòng chảy; anh em người

Đức Ernst (1795-1878) và Wilhelm Weber (1801-1891) đã chỉ đạo các kiểm chứng về chuyển động sóng; các kỹ sư người Pháp Burdin (1790-1873), Fourneyman (1802-1867), Coriolis (1792-1843) và kỹ sư người Mỹ Francis (1815-1892) đã đóng góp cho sự phát triển của tuốc-bin thuỷ lực; một người Scotland là Russel (1808-1882) đã hướng dẫn các kiểm chứng về sóng; một người Đức là Hagen (1797-1889), một người Pháp là Poiseuille (1799-1869) và một người Anh là Weisbach (1806-1871) đã mở rộng ứng dụng về dòng chảy trong ống; một người Pháp là Saint-Venant (1797-1886) đã đóng góp cho thuỷ lực kênh hở; những người Pháp là Dupuit (1804-1866), Bresse (1822-1883), và Bazin (1829-1917) và một người Ai-len là Manning (1816-1897) đã mở rộng ứng dụng cho thuỷ lực kênh hở; một người Pháp là Darcy (1803-1858) đã thực hiện các công trình về dòng chảy trong ống; và một người Anh là William Froude (1810-1879) và con trai ông là Robert Froude (1846-1924) đã mở rộng kiểm chứng mô hình tàu thuỷ

Thuỷ động lực cổ điển và thuỷ động lực ứng dụng đã được hoàn thiện đáng kể trong thế kỷ thứ mười chín bởi Navier (1785-1836), Cauchy (1789-1857), Poisson (1781-1840), Saint-Venant và Boussinesq (1842-1929) ở Pháp; Stokes (1819-1903), huân tước Rayleigh (1842-1919) và Lamb (1849-1934) ở Anh; Helmholtz (1821-1894) và Kirchoff (1824-1887) ở Đức

Vào cuối thế kỷ thứ mười chín, thuỷ động lực lý thuyết dựa trên các phương trình chuyển động của Euler đối với chất lỏng lý tưởng (không nhớt) đã đạt đến trình độ phát triển khá cao Tuy nhiên nó không giải thích nhiều hiệu ứng đã quan sát được như sự giảm áp lực trong ống, và do vậy các kỹ sư thực hành đã phát triển khoa học thuỷ lực kinh nghiệm của riêng họ Hai lĩnh vực thuỷ lực và thuỷ động lực thời đó có rất ít điểm chung Vào năm 1904, Prandtl (1875-1953) ở Đức đã trình bày khái niệm về lớp biên, một khu vực mỏng sát biên tại đó các hiệu ứng nhớt nổi bật Điều này dẫn đến quan niệm hợp nhất cơ chất lỏng hiện đại, khí động lực, thuỷ lực, động lực học chất khí và truyền nhiệt đối lưu lại với nhau Nó giải thích những trạng thái khác biệt của chất lỏng thực đã được các nhà thuỷ lực quan trắc và chất lỏng không nhớt được các nhà thuỷ động lực học cổ điển dự báo theo lý thuyết Prandtl xứng đáng được tôn vinh là cha đẻ của cơ chất lỏng hiện đại

Những tiến bộ trong thế kỷ này bao gồm cả nghiên cứu phân tích và thực nghiệm

về dòng chảy lớp biên, cấu trúc rối, sự ổn định của dòng chảy, dòng chảy nhiều pha, truyền nhiệt trong những chất lỏng chuyển động

1.2 Các định nghĩa

Tất cả các vật chất đều biến dạng được Đa số các chất lỏng có thể phân biệt so với

đa số các chất rắn trên cơ sở mức độ biến dạng, độ biến dạng tương đối lớn với thậm chí những ngoại lực nhỏ tác động tiếp tuyến (trượt) ở chất lỏng, nhưng nó lại nhỏ với những ngoại lực lớn tác động tiếp tuyến ở chất rắn Như vậy, một chất lỏng có thể định nghĩa

là một thể chất liên tục biến dạng khi bị tác động bởi những ứng suất trượt; một chất

lỏng không có khả năng duy trì những ứng suất trượt ở trạng thái đứng yên Điều này ý nói rằng những ứng suất trượt chỉ có thể tồn tại khi một chất lỏng đang chuyển động Tuy nhiên, để những ứng suất trượt này tồn tại, chất lỏng phải nhớt, một đặc trưng thể hiện bởi tất cả các chất lỏng thực Một chất lỏng lý tưởng có thể định nghĩa là không nhớt, hoặc không dính; như vậy không có ứng suất trượt nào tồn tại đối với chất lỏng này khi nó chuyển động

Những ứng suất trượt hình thành trong chất lỏng nhớt là kết quả của chuyển động tương đối giữa chất lỏng và những biên của nó hoặc giữa những lớp kề nhau của chất lỏng Nói chung, chuyển động tương đối này càng lớn, ứng suất trượt càng lớn đối với một chất lỏng đã cho Chính thuộc tính nhớt tạo ra sức cản cho dòng ổn định, trực tiếp hoặc gián tiếp; trực tiếp đối với sự giảm áp suất trong một cái ống, và gián tiếp đối với sức cản trên quả bóng sân gôn hoặc một tình trạng tương tự, khi dòng chảy tách khỏi biên và tạo ra một vệt lằn đóng góp một phần quan trọng, nếu không nói là chủ yếu của sức cản

Một dòng chảy gọi là dòng chảy phân tầng khi chỉ có những ứng suất trượt do nhớt tác động Trong trường hợp đó dòng chảy có trật tự và mỗi hạt chất lỏng di chuyển dọc theo một đường thẳng song song với biên cứng Thông thường, đa số dòng chảy trong lòng dẫn hở và ống khác với những dòng chảy phân tầng bởi vì chúng thể hiện một đặc tính gọi là rối Nguồn gốc của rối và sự quá độ từ dòng chảy phân tầng đến rối là điều quan trọng cơ bản trong cơ học chất lỏng Chuyển động rối của chất lỏng là một điều kiện không đều của dòng chảy, trong đó vận tốc chất lỏng (và những đại lượng khác) cho thấy sự biến đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian; những giá trị bình quân chỉ có thể thấy trong khái niệm thống kê

Tổng kết, có thể đưa ra sự phân loại sau:

1.3 Các loại dòng chảy

Có thể phân biệt nhiều loại dòng chảy Ví dụ, dòng chảy có thể là ổn định hoặc không ổn định, đều hoặc không đều, dưới phân giới hoặc trên phân giới, chịu nén hoặc không nén được

Dòng chảy là ổn định khi những điều kiện không biến đổi theo thời gian, hoặc trong trường hợp của dòng chảy rối, những tham số thống kê (giá trị trung bình và độ

lệch chuẩn) không biến đổi theo thời gian Nếu dòng chảy không phải là ổn định, thì nó

là không ổn định

Dòng chảy là đều khi dòng chảy không có gia tốc Như vậy, là khi vận tốc chất lỏng không đổi theo hướng dòng chảy Nếu những vận tốc chất lỏng không phải là hằng số theo hướng dòng chảy, thì dòng chảy là không đều

Dòng chảy là đồng nhất khi mật độ chất lỏng không đổi theo không gian và thời gian, và không đồng nhất khi nhiệt độ hoặc độ muối biến đổi theo không gian Dòng chảy trong lòng dẫn hở là dưới phân giới hoặc trên phân giới phụ thuộc vào việc vận tốc nhỏ hơn hoặc lớn hơn vận tốc lan truyền của sóng mặt cơ bản (số Froude nhỏ hơn hoặc lớn hơn 1)

Dòng chảy là không nén được nếu không có sự thay đổi mật độ hoặc thay đổi không

đáng kể Những hiệu ứng nén có thể xuất hiện trong những dòng khí với những vận tốc lớn

Để tổng kết, đưa ra sự phân loại sau:

Dòng chảy cũng có thể phân loại ra dòng chảy một chiều, hai chiều hoặc ba chiều; phụ thuộc vào số lượng građien vận tốc đang tồn tại

Dòng chảy một chiều là dòng chảy trong đó tất cả các tham số chất lỏng và dòng chảy được giả thiết không đổi trong mặt cắt ngang thẳng góc với dòng chảy Chỉ có một građien vận tốc theo hướng dòng chảy Trên thực tế, những dòng chảy một chiều không tồn tại do sự có mặt của các biên Tuy nhiên, dòng chảy trong sông thường được thể hiện như dòng chảy một chiều

Dòng chảy hai chiều là dòng chảy đồng nhất trong những mặt phẳng song song, hoặc nằm ngang hoặc thẳng đứng (2 DH hoặc 2 DV) Có hai građien vận tốc

Dòng chảy ba chiều là dòng chảy mà trong đó những tham số dòng chảy thay đổi theo ba chiều Như vậy, gradient của những tham số dòng chảy tồn tại trong ba hướng

1.4 Ký hiệu và đơn vị

Các ký hiệu quan trọng nhất được sử dụng trong quyển sách này là:

Fr = số Froude

f = hệ số ma sát

i = gradient năng lượng

Re = số Reynolds

U = vận tốc chất lỏng tức thời theo hướng dọc (LT-1)

u = vận tốc trung bình mặt cắt ngang (LT-1)

V = vận tốc chất lỏng tức thời theo hướng ngang LT-1)

W = vận tốc chất lỏng tức thời theo hướng thẳng đứng LT-1)

 = hệ số nhớt động lực (ML T )

 = hằng số Von Karman

Những biến tức thời (vận tốc, áp suất) được thể hiện bằng những chữ hoa (V) Những biến trung bình thời gian được trình bày bằng những chữ thường (v)

Những đơn vị theo Hệ thống Đơn vị Quốc tế (đơn vị SI), đã được chấp nhận bởi Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (IOS)

Lực được biểu thị bằng Newton

Khối lượng được biểu thị bằng kilôgam

Chiều dài được biểu thị bằng mét

Thời gian được biểu thị bằng giây

Chương 2 Những thuộc tính của chất Lỏng

2.1 Mở đầu

Tất cả các chất lỏng thực có những đặc trưng hoặc những thuộc tính nhất định đo

được, như mật độ, độ nhớt, độ nén, mao dẫn, sức căng mặt ngoài, vv Một vài thuộc tính chất lỏng trên thực tế là sự kết hợp của những thuộc tính khác Ví dụ độ nhớt động