BÀI GIẢNG MÔN HỌC THỦY LỰC

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THỦY LỰC HỌC 1.1.1 Đối tượng nghiên cứu và nhiệm vụ của thủy lực học a Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của thủ

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THỦY LỰC HỌC

1.1.1 Đối tượng nghiên cứu và nhiệm vụ của thủy lực học

a) Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của thủy lực học gồm những chất có thể chảy được (gọi chung là lưu chất) trong điều kiện nhiệt độ không đổi như : nước, dầu hơi, các chất khí, kim loại nấu chảy, hổn hợp chất lỏng trộn chất khí, chất lỏng trộn với chất cứng, chất khí trộn với chất cứng, …

b) Nhiệm vụ :

Thủy lực học thực chất là một bộ phận của cơ học ứng dụng, nó nghiên cứu các quy luật cân bằng và chuyển động cơ học của lưu chất và các quá trình tương tác lực của nó lên các vật thể khác

2/ Phương pháp nghiên cứu thủy lực học :

Thủy lực học là một nhánh rẽ của môn cơ học, đi sâu vào nghiên cứu loại vật thể đặc biệt, đó là lưu chất Vì vậy nó thừa hưởng các định luật, định lý của môn cơ học, đó là :

+ Các định luật cơ học của Niutơn

+ Các định luật về bảo toàn và chuyển hóa trong cơ học : bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng, bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

Trong nghiên cứu thủy lực học phải kết hợp chặt chẽ lý thuyết với thực nghiệm (quan sát hiện tượng, thí nghiệm mô hình, phân tích lý luận bằng toán học) Do đó ta có hai phương pháp chính : phương pháp giải tích và phương pháp thực nghiệm

a) Phương pháp giải tích

Phương pháp này áp dụng các định luật, định lý của môn cơ học cho vật thể lưu chất có tính đến tính chất của vật thể, từ đó ta sẽ rút ra được các phương trình vi phân, tích phân mô tả trạng thái của nó

Việc giải quyết các phương trình đó sẽ cho ta các mô tả vận tốc, áp suất, … tại các điểm khác nhau của thể tích lưu chất đang nghiên cứu

Trong việc giải quyết các phương trình này, phương pháp giải tích với sự ứng dụng các tiến bộ của lý thuyết trường, lý thuyết số phức, lý thuyết về các phương trình vi phân, … đóng một vai trò quan trọng

b) Phương pháp thực nghiệm

Một phương pháp khác được sử dụng rộng rãi trong thủy lực học đó là phương pháp thực nghiệm Nó đáp ứng kịp thời các nhu cầu đặt ra của thực tế sản xuất, giúp người ta phân tích, tổng hợp và cho ra các quy luật mô tả trạng thái lưu chất _ đó là các công thức thực nghiệm Trong phương pháp thực nghiệm ta có hai cách giải quyết :

+ Phương pháp đồng dạng : Trong phương pháp đồng dạng việc nghiên cứu

được tiến hành trên mô hình có cùng bản chất vật lý, nhưng được thiết kế ở tỷ lệ thích hợp Kết quả đo đạt được trên mô hình này được quy đổi theo tỷ lệ để cho ra các thông tin của hệ thống thực

+ Phương pháp tương tự : Trong phương pháp này việc nghiên cứu được tiến

hành trên mô hình không cùng bản chất vật lý, nhưng các phương trình vi phân, tích phân mô tả các quá trình xảy ra trong chúng giống nhau Kết quả của thí nghiệm trên mô hình này sẽ được quy đổi tương đương, cho phép ta xác định các thông số cho hệ thống thực

Phương pháp giải tích và phương pháp thực nghiệm là hai phương pháp tiếp cận nhau của cùng một vấn đề Chúng phát triển song song và bổ sung lẫn nhau Kết quả thực nghiệm giúp ta giải quyết nhanh chóng các vấn đề thực hành, đồng thời giúp

cũng giúp bổ sung các khiếm khuyết của thực nghiệm, cho ta các kết quả mà không thể có được bằng thực nghiệm

1.2 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG

1.2.1 Khối lượng riêng, trọng lượng riêng, tỷ trọng

a) Khối lượng riêng

Khối lượng riêng ρ của một chất là khối lượng của một đơn vị thể tích của chất đó

W

M

=

M – khối lượng chất lỏng chứa trong thể tích W (kg)

W

G

= γ

)

b) Trọng lượng riêng

Trọng lượng riêng γ của một chất là trọng lượng của một đơn vị thể tích chất đó

G – trọng lượng khối chất lỏng chứa trong thể tích W (N)

Đối chất lỏng đồng nhất thì trọng lượng riêng của nó bằng tích số của khối lượng riêng với gia tốc trọng trường g (g = 9,81 m/s2)

O

H2

γ

c) Tỷ trọng δ

nước ở điều kiện tiêu chuẩn

O

H2

γ

γ

là thể tích của một đơn vị khối lượng chất đó

1

=

=

M

W

Nói chung giá trị của ρ, γ phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ của lưu chất Trong tính toán, ta thường sử dụng một số giá trị cho trong bảng 1 (ở điều kiện bình thường)

Bảng 1: Một số giá trị của ρ, γ ở điều kiện thơng thường

1.2.2 Tính nén được

Mọi vật thể dù là chất rắn, chất lỏng hoặc khí đều có thể nén được Nghĩa là khi áp suất tăng từ p lên p + ∆p, thể tích vật thể giảm từ V xuống V - ∆V Để đặc trưng cho khả năng nén được này, người ta sử dụng đại lượng gọi là môđun đàn hồi K

dV

dp V V

p K

V = −

∆

∆

=

→

Vì sự thay đổi thể tích theo áp suất của chất lỏng rất bé nên thông thường trong các vấn đề thủy lực, người ta coi chất lỏng như không nén được, khối lượng đơn vị không đổi, trừ trường hợp va đập thủy lực các đường ống

Đối với chất khí, giá trị K nhỏ hơn rất nhiều so với chất lỏng (nhỏ hơn khoảng

khả năng nén được của chất khí bằng quan hệ giữa áp suất, nhiệt độ và khối lượng riêng theo phương trình khí lý tưởng :

P – áp suất tuyệt đối (N/m3)

T – nhiệt độ tuyệt đối (0K)

R

R= 0 (1.8)

M – phân tử gam chất khí (kg/kmol)

dy

du S

F =µ

K)

1.2.3 Tính nhớt

Đây là tính chất quan trọng và có nhiều đặc tính kỹ thuật nhất của chất lỏng, vì nó là nguyên nhân sinh ra sự tổn thất năng lượng khi chất lỏng chuyển động Khi các lớp chất lỏng chuyển động giữa chúng có sự chuyển động tương đối và nảy sinh ra sức

ma sát tạo nên sự biến đổi một bộ phận cơ năng của chất lỏng chuyển động thành nhiệt năng không lấy lại được Sức ma sát này gọi là ma sát trong hay nó cũng chính là ứng suất tiếp giữa các lớp chất lỏng chuyển động, được gọi là tính nhớt của chất lỏng Tính nhớt là biểu hiện sức dính phân tử của chất lỏng, nó liên quan chặt chẽ đến khái niệm về ma sát trong

Định luật ma sát trong của Niuton được phát biểu như sau : “ Sức ma sát giữa các lớp chất lỏng chuyển động thì tỷ lệ với diện tích tiếp xúc của các lớp ấy, không phụ thuộc vào áp lực, phụ thuộc vào gradien vận tốc theo chiều thẳng góc với phương chuyển động, phụ thuộc vào loại chất lỏng.”

(1.9)

u=f(y)

Lớp 2

u+du

u

du y

O

I

II h

u

F Lớp 1

Hình 1.1

F – sức ma sát giữa hai lớp chất lỏng

S – Diện tích tiếp xúc giữa hai lớp chất lỏng

u – vận tốc của chất lỏng

u = f(y) – quy luật phân bố u theo phương y

dy

µ - hằng số tỷ lệ, phụ thuộc vào loại chất lỏng, được gọi là hệ số nhớt động lực,

dy

du S

τ = =

)

Gọi τ là ứng suất nội ma sát (hay ứng suất tiếp) trên một đơn vị diện tích

Tính nhớt còn được đặc trưng bởi hệ số nhớt động học :

ρ

µ

Trong tính toán, ta thường sử dụng một số giá trị thông dụng cho trong bảng 2 (ở

Bảng 2: Một số giá trị của µ, ν ở điều kiện thơng thường

Ngoài đơn vị stốc (stoke) dùng để đo độ nhớt động học thì ở các nước còn dùng đơn vị là :

E

0731 ,

=

ν

E)

(cm2

R

R "

" 1 , 27 0026

,

=

ν

/s) (1.12) + Anh : giây Redut (“R)

(cm2

S

S 1",8

"

00220 ,

=

ν

/s) (1.13) + Mỹ : giây xebôn (“S)

(cm2/s) (1.14)

B o

5 , 48

= ν

Độ nhớt của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của môi trường

- Aûnh hưởng của nhiệt độ tới độ nhớt được xác định theo công thức tổng quát :

) ( 0

0

.e− t−t

=µ λ

µ và µ0 là độ nhớt động lực ở nhiệt độ t và t0

) ( 0

0

.e p−p

=µ α

µ

λ - hệ số tỷ lệ

- Khi áp suất tăng thì tính µ theo công thức :

(1.16)

µ và µ0 là trị số độ nhớt động lực ứng với các áp suất p và p0

α - hệ số thay đổi

III/ LỰC TÁC DỤNG TRONG THỦY LỰC HỌC :

Cũng như mọi môn cơ học khác, trong khi nghiên cứu môn thủy lực ta thường sử dụng tới khái niệm lực Nhưng khác với cơ học vật thể rắn – ở đó có thể tồn tại cả lực tập trung lẫn lực phân bố, trong lưu chất chỉ tồn tại lực phân bố, lưu chất không có khả năng chịu lực tập trung Ta quan niệm rằng : lưu chất là một môi trường liên tục và ta có thể sử dụng khái niệm phần tử hay vi phân thể tích lưu chất

Lực tác dụng lên lưu chất có thể được chia ra làm hai loại : nội lực và ngoại lực + Nội lực là lực tương tác giữa các phân tử lưu chất

+ Ngoại lực là lực tác dụng lên phần tử lưu chất từ phía môi trường vật lý bên ngoài hoặc từ phía các vật thể khác tiếp xúc với thể tích lưu chất Nếu ta tách ra một phần từ một thể tích lưu chất để nghiên cứu, thì lực tác dụng từ phía lưu chất bao bọc xung quanh lên thể tích nghiên cứu trở thành ngoại lực

Ngoại lực tác dụng lên thể tích lưu chất có thể được phân ra làm hai loại : lực khối và lực mặt

Lực khối là ngoại lực từ phía môi trường bên ngoài tác dụng lên mọi phần tử tạo nên thể tích khối lưu chất Giá trị của lực khối tỷ lệ với khối lượng của lưu chất (ví dụ như trọng lực, lực quán tính, …)

Lực mặt là ngoại lực tác dụng lên thể tích lưu chất từ phía vật thể xung quanh ngang qua bề mặt bao quanh nó Giá trị của lực mặt tỷ lệ với diện tích bề mặt, ví dụ như áp suất khí quyển tác dụng lên mặt thoáng, lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa dòng chảy và thành rắn