BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 5

BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 5BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 5BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 5BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 5BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 5BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 5BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 5BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 5

Ch ương 5 – Dòng chuyển ng 5 – Dòng chuy n ển

đ ng đ u trong ng ộng đều trong ống ều trong ống ống

Viscous flow in pipes/ducts

T ng quan ổng quan

nước, hệ thống tưới tiêu…

• Nghiên cứu các trạng thái chuyển động của lưu chất trong đường ống

• Tính toán tổn thất năng lượng trong đường ống

• Bài toán đường ống: cho biết thông số hình học

(đường kính, chiều dài) và cấu trúc đường ống (van, đoạn uốn cong, rẽ nhánh…) xác định tổn thất năng lượng  tính lưu lượng và công suất của bơm cần thiết

• Các kết quả nghiên cứu liên quan dòng chuyển động trong đường ống từ thực nghiệm nhiều hơn lý thuyết

N i dung - Outline ộng đều trong ống

1.Phương trình cơ bản cho dòng chuyển động đều trong ống

1 Ph ương 5 – Dòng chuyển ng trình c b n ơng 5 – Dòng chuyển ản

• Lực mặt F1-F2: áp lực tại hai mặt cắt

• Lực ma sát Fms = τχL

(χ: chu vi ướt)

2 Phân b v n t c ống ận tốc ống

Phân biệt hai trạng thái chuyển động

2 Phân b v n t c ống ận tốc ống

Phân biệt hai trạng thái chuyển động

r 0 dr

u o

2 Phân b v n t c ống ận tốc ống

2.1 Chuyển động tầng

r

r 0 dr

u o

r

r

parabol

2 Phân b v n t cống ận tốc ống

2.1 Chuyển động rối

2 Phân b v n t c ống ận tốc ống

Phân biệt hai trạng thái chuyển động

3 T n th t năng l ổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đường ng d c đ ọc đường ường ng

Nguyên nhân: do ma sát giữa các lớp chất lỏng với

nhau và giữa chất lỏng và thành rắn Tổn thất năng

lượng càng lớn khi chuyển động trên đường ống càng dài

3 T n th t năng l ổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đường ng d c đ ọc đường ường ng

Dùng phương pháp phân tích thứ nguyên, chứng tỏ tổn thất dọc đường có dạng

Dòng chuyển động rối: λ=f(Δ/ReD,Re),

với Δ: chiều cao các mô nhám

Δ/ReD: độ nhám tương đối

3.2 Công thức Darcy

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng

Xác định hệ số tổn thất dọc đường λ

λ

la m in

a r

transition

Rối thành trơn thủy lực λ=f(Re)

Rối thành nhám thủy lực λ=f(ε,Re)

Rối thành hoàn tòan nhám λ=f(ε)

0,000 01

1 2 3 4 5 7 x10 3 x10 1 4 2 3 4 5 7 x10 1 5 2 3 4 5 7 x10 1 6 2 3 4 5 7 x10 1 7 2 3 4 5 7 x10 1 8

0,000 005

0,000 007

0,000 05 0,000 1 0,000 2 0,000 4 0,000 6 0,001 0,002

0,004 0,006 0,008 0,01 0,015 0,02 0.03 0,04 0,05

Khu chảy rối thành nhám

Khu chảy rối thành trơn Khu chuyển tiếp

Xác định hệ số tổn thất dọc đường λ

3 T n th t năng l ổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đường ng d c đ ọc đường ường ng

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng

2 2

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng – Ví d 1 ụ 1

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng – Ví d 2 ụ 1

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng – Ví d 2 ụ 1

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng – Ví d 3 ụ 1

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng –

3 lo i bài toán ại bài toán

1.Xác định tổn thất dọc đường hd (hf1-2): cho

biết d, L, V hay Q,ρ,μ, g Tính Red giãn đồ Moody: hệ số λ  tính hd (bài toán thuận)

2.Xác định vận tốc V hay lưu lượng Q : cho biết

d, L, hd, ρ,μ, g  (bài toán nghịch: giải trực tiếp và giải lặp)

3.Xác định kích thước - đường kính d : cho biết

Q, L, hd, ρ,μ, g  (bài toán nghịch: giải trực tiếp và giải lặp)

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng –

3 lo i bài toánại bài toán

Bài toán nghịch loại 2- giải trực tiếp

cho biết d, L, hd, ρ,μ, g  tính V hay Q

Đối với mọi dòng chuyển động rối trong ống, sử dụng công thức thực nghiệm của Cole-brook

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng – Ví d 4 ụ 1

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng – Ví d 4 ụ 1

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng – Ví d 5 ụ 1

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng – Ví d 5 ụ 1

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng –

3 lo i bài toánại bài toán

Bài toán nghịch loại 3- giải lặp

cho biết Q (hay V), L, hd, ρ,μ, g  tính đường kính d

Số Reynolds phụ thuộc d:

Hệ số tổn thất λ (f) theo

đường kính d

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng –

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng –

3 T n th t năng lổng quan ất năng lượng dọc đường ượng dọc đườngng d c đọc đường ườngng –

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

Tính theo công thức thực nghiệm Weisbach:

• Với c là hệ số tổn thất cục bộ tùy thuộc vào cấu trúc đường ống cục bộ (van, chỗ mở rộng, co hẹp, khúc quanh )

• V: thông thường vận tốc tại vị trí phía sau

2

2

V h

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

 Đường ống mở rộng đột ngột

Tổn thất cục bộ

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

 Đường ống mở rộng đột ngột

Tổn thất cục bộ

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

 Đường ống mở rộng hay thu hẹp Xác định hệ số

với A

với A

 Cửa vào ống và bồn chứaXác định hệ số tổn thất cục bộ c

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

 Cửa vào ống và bồn chứaXác định hệ số tổn

thất cục bộ c

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

c =1

 Cửa ra ống và bồn chứa c ≈1

 Ống có tiết diện mở rộng dần c

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

 Ống uốn cong bán kính R c

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

 Ống gấp khúc c

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

4 T n ổng quan

th t c c ất năng lượng dọc đường ục

bộ-b - ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems: Valve

 Van một chiều- Van bi c

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

 Van một chiều- Van cánh c

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

 Van một chiều- Van bướm c

4 T n th t c c b - ổng quan ất năng lượng dọc đường ục bộ- ộng đều trong ống Minor loss in pipe systems

4 Tính toán đ ường ng ng ống

Tổn thất năng lượng trong đường ống có chiều dài l và đường kính trong d :

Phân biệt đường ống dài, ngắn

• hc<5%hd: đường ống dài  có thể bỏ qua tổn thất cục bộ

• hc>5%hd: đường ống ngắn tính toán cả tổn thất cục bộ và tổn thất dọc đường

4 Tính toán đ ường ng ng – ống Ví d 8 ục

bộ-4 Tính toán đ ường ng ng – ống Ví d 8 ục

bộ-4 Tính toán đ ường ng ng – ống Ví d 8 ục

bộ-4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng ống

4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng – ống H th ng n i ti p ệ thống nối tiếp ống nối tiếp ống nối tiếp ếp

* Hệ thống nối tiếp, cho

4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng – ống Đ ường ng ng n i ti p ống ống ếp

4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng – ống Đ ường ng ng n i ti p – Ví d 9 ống ống ếp ục

bộ-4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng – ống H th ng song song ệ thống nối tiếp ống nối tiếp

* Hệ thống song song,

cho biết đặc trưng hình

học của mỗi ống: d,l, n

(độ nhám)

* Lưu lượng bằng tổng lưu

lượng trong các đường ống

* Tổn thất năng lượng bằng nhau trong các đường ống

4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng – ống H th ng song song ệ thống nối tiếp ống nối tiếp

4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng – ống H th ng song song –Ví d ệ thống nối tiếp ống nối tiếp ụ 1

10

4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng ống

H th ng đ ệ thống nối tiếp ống nối tiếp ường ống nối bồn chứa ng ng n i b n ch a ống nối tiếp ống nối tiếp ồn chứa ứa

Cột áp năng lượng tại J

K 

suy ra K1=1,691 m 3 /s;

K2=0,933 m 3 /s

K3=0,347 m 3 /s

4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng ống

H th ng đ ệ thống nối tiếp ống nối tiếp ường ống nối bồn chứa ng ng n i b n ch a – Ví d 11 ống nối tiếp ống nối tiếp ồn chứa ứa ụ 1

4 Tính tốn h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng ống

H th ng đ ệ thống nối tiếp ống nối tiếp ường ống nối bồn chứa ng ng n i b n ch a – Ví d 12 ống nối tiếp ống nối tiếp ồn chứa ứa ụ 1

Thế số ta được EJ=19,06m > EB=3.04m nên nước sẽ chảy từ J đến B.

Ta lập được các hệ phương trình sau:

2 1

1 2 2

2

(2) (3)

4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng ống

H th ng đ ệ thống nối tiếp ống nối tiếp ường ống nối bồn chứa ng ng n i b n ch a – Gi i l p ống nối tiếp ống nối tiếp ồn chứa ứa ải lặp ặp

- Cho hJ (EJ) một giá trị ban đầu, dựa vào cột

áp năng lượng của các bồn chứa

- Tính giá trị mới Ej-new=Ej-old+ΔEj

- Tiếp tục giải lặp cho đến khi ΔQ≈0

 Phương pháp giải lặp khi chưa biết chiều của

dòng chuyển động tại điểm giao J

4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng ống

H th ng đ ệ thống nối tiếp ống nối tiếp ường ống nối bồn chứa ng ng n i b n ch a – Ví d 11 ống nối tiếp ống nối tiếp ồn chứa ứa ụ 1

4 Tính toán h th ng đ ệ thống đường ống ống ường ng ng ống

H th ng đ ệ thống nối tiếp ống nối tiếp ường ống nối bồn chứa ng ng n i b n ch a – Ví d 11 ống nối tiếp ống nối tiếp ồn chứa ứa ụ 1