Bài giảng kỹ thuật thuỷ khí

17 Hình 3.7 Thành lập phương trình Becnuli cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng 17 Hình 3.8 Ý nghĩa hình học và năng lượng của phương trình Becnuli ..... Đối tượng nghiên cứu: Đối tượ

UBND TỈNH QUẢNG BÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ

NỘI DUNG

LỊCH SỬ MÔN HỌC

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÍ CƠ BẢN CỦA CHẤT

LỎNG 1

1.1 Đối tượng và nhiệm vụ nghiên cứu 1

1.1.1 Khái niệm: 1

1.1.2 Phương pháp nghiên cứu: 1

1.1.3 Đối tượng nghiên cứu: 2

1.1.4 Mục đích của môn học 3

1.2 Môt số tính chất cơ bản của chất lưu 3

1.2.1 Khối lượng riêng và trọng lượng riêng 4

1.2.2 Tính nén và giản nở 4

1.2.3 Tính nhớt của chất lưu 5

CHƯƠNG 2 TĨNH HỌC CHẤT LONG 7

2.1 Khái niệm về ứng suất 7

2.2 Khái niệm áp suất thủy tĩnh 7

2.3 Các tính chất của áp suất thủy tĩnh tại một điểm 8

2.4 Mối quan hệ của áp suất thủy tĩnh theo độ sâu 8

2.5 Định luật Pascal và máy ép thủy lực 9

2.6 Tính áp lực thủy tĩnh 10

2.6.1 Mặt phẳng 10

2.6.2 Mặt cong 12

2.7 Định luật Acsimet và điều kiện cân bằng vật nổi 12

2.7.1 Định luật: Acsimet 12

2.7.2 Điều kiện cân bằng vật nổi 13

CHƯƠNG 3 ĐỘNG HỌC CHẤT LỎNG ……… 14

3.1 Các khái niệm chung 14

3.1.1 Phân loại chuyển động 14

3.1.2 Đường dòng và dòng nguyên tố 14

3.1.3 Các yếu tố của thủy lực dòng chảy 15

3.2 Phương trình liên tục của dòng chảy 15

3.2.1 Phương trình liên tục của dòng chảy nguyên tố 15

3.2.2 Phương trình liên tục của toàn dòng chảy 16

3.2.3 Phương trình vi phân liên tục dòng chảy 16

3.3 Phương trình vi phân của chất lỏng 16

3.3.1 Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng lý tưởng 16

3.3.2 Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực 17

3.4 Phương trình Becnuli 17

3.4.1 Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng 17

3.4.2 Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng thực 18

3.4.3 Phương trình Becnuli viết cho toàn dòng chảy thực 18

3.4.4 Áp dụng phương trình Becnuli 18

3.5 Phương trình biến thiên động lượng 19

3.5.1 Đối với dòng nguyên tố chuyển động dừng 19

3.5.2 Phương trình biến thiên động lượng đối với toàn dòng 20

3.6 Phương trình momen động lượng 20

CHƯƠNG 4 CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT LỎNG KHÔNG NÉN ĐƯỢC 21

4.1 Trạng thái chảy của chất lỏng 21

4.1.1 Thí nghiệm Reynols 21

4.1.2 Số Reynols và vận tốc phân giới 21

4.2 Tổn thất năng lượng trong dòng chảy 21

4.2.1 Tổn thất năng lượng dọc đường trong chảy tẩng 22

4.2.2 Tổn thất năng lượng dọc đường trong chảy rối 22

4.2.3 Tổn thất năng lượng cục bộ 22

4.3 Dòng chảy tầng trong ống 23

4.3.1 Phương trình vi phân của chất lỏng chuyển động 23

4.3.2 Phân bố vận tốc 23

4.4 Dòng chảy rối trong ống 23

CHƯƠNG 5 CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT KHÍ 24

5.1 Các phương trình cơ bản của chất khí 24

5.1.1 Phương trình trạng thái 24

5.1.2 Phương trình lưu lượng 24

5.1.3 Phương trình Becnuli 24

5.1.4 Phương trình Entanpi 24

5.2 Các thông số dòng khí 25

5.2.1 Vận tốc âm 25

5.2.2 Dòng hãm và dòng tới hạn 25

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG 27

6.1 Phân loại 27

6.1.1 Dựa vào tổn thất năng lượng 27

6.1.2 Căn cứ vào điều kiện thủy lực và cấu trúc đường ống 27

6.2 Những công thức dùng trong tính toán thủy lực đường ống 27

6.3 Tính toán thủy lực đường ống đơn giản 28

6.3.1 Tính H1 khi biết H2; Q; l; d; n (độ nhám tương đối) 28

6.3.2 Tính Q khi biết H1; H2; l; d; n (độ nhám tương đối) 28

6.3.3 Tính d khi biết H1; H2; l; Q; n (độ nhám tương đối) 28

6.3.4 Tính d, H1 khi biết H2; l; Q; n (độ nhám tương đối) 28

6.4 Tính toán thủy lực đường ống phức tạp 28

6.4.1 Hệ thống đường ống nối tiếp 28

6.4.1 Hệ thống đường ống song song 29

6.4.2 Hệ thống đường ống phân phối liên tục 29

6.4.3 Hệ thống đường ống phân nhánh hở 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh chất rắn, lỏng, khí 2

Bảng 1.2 Tỉ trọng của một số chất 4

Bảng 1.3 Hệ số giản nở vì nhiệt của nước 4

Bảng 1.4 Hệ số giản nở vì nhiệt của nước 5

Bảng 4.1 Hệ số vật cản đối với một số loại vật cản điển hình 23

PHỤ LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ nghiên cứu 1

Hình 1.2 Sơ đồ nghành cơ học chất lưu 2

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử chất rắn, lỏng, khí 3

Hình 1.4 Ứng suất tiếp 3

Hình 1.5 Mục đích môn học 3

Hình 1.6 Biểu đồ lưu tốc theo chiều sâu 5

Hình 1.7 Biểu đồ chất lưu Newtonian và phi Newtonian 5

Hình 1.8 Sự phụ thuộc độ nhớt và nhiệt độ 6

Hình 2.1 Hình ảnh ứng suất 7

Hình 2.2 Các loại áp suất thủy tĩnh 7

Hình 2.3 Áp suất của một phân tố chất lỏng 8

Hình 2.4 Mối quan hệ áp suất theo độ sâu (1) 8

Hình 2.5 Mối quan hệ áp suất theo độ sâu (2) 9

Hình 2.6 Ứng dụng của định luật Pascal 9

Hình 2.7 Sơ đồ áp lực thủy tĩnh tác dụng lên mặt phẳng 10

Hình 2.8 Tính toán hợp lực và điểm đặt hợp lực 11

Hình 2.9 Mô men quán tính của một số hình đặc trưng 11

Hình 2.10 Tính toán cho tấm phẳng hình chữ nhật 11

Hình 2.11 Áp lực thủy tĩnh lên mặt cong 12

Hình 2.12 Chứng minh định luật 12

Hình 2.13 Các trường hợp vật nổi, lơ lửng,chìm 13

Hình 2.14 Điều kiện cân bằng vật nổi 13

Hình 3.1 Đường dòng 14

Hình 3.2 Trường vecto vận tốc 14

Hình 3.3 Hình ảnh ống dòng 15

Hình 3.4 Hình ảnh dòng chảy nguyên tố 15

Hình 3.5 Mô hình thiết lập phương trình vi phân liên tục của dòng chảy 16

Hình 3.6 Thành lập phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực 17

Hình 3.7 Thành lập phương trình Becnuli cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng 17 Hình 3.8 Ý nghĩa hình học và năng lượng của phương trình Becnuli 18

Hình 3.9 Ống pito 18

Hình 3.10 Ống Venturi 19

Hình 3.11 Thành lập phương trình biến thiên động lượng cho dòng nguyên tố 19

Hình 3.12 Thành lập phương trình biến thiên động lượng cho toàn dòng 20

Hình 3.13 Thành lập phương trình momen động lượng 20

Hình 4.1 Thí nghiệm Reynols 21

Hình 4.2 Phân bố vận tốc, ứng suất của chảy tẩng trong ống tròn 22

Hình 4.3 Mặt cắt ngang dòng chảy rối trong ống tròn 22

Hình 5.1 Thành lập phương trình Entanpi 25

Hình 5.2 Dòng hãm và dòng tới hạn 26

Hình 6.1 Sơ đồ ống nối tiếp kín 28

Hình 6.2 Sơ đồ ống nối tiếp kín có rò rỉ chất lỏng ở các chỗ nối 29

Hình 6.2 Sơ đồ đường ống mắc song song 29

Hình 6.2 Đường ống phân phối liên tục 30

Hình 6.2 Sơ đồ đường ống phân nhánh hở 30

LỊCH SỬ MÔN HỌC

Sự cần thiết phải có sự hiểu biết về kỹ thuật thủy khí bắt nguồn từ mục đích của con người muốn tìm kiếm các nguồn cung cấp nước Ban đầu người ta nhận ra rằng các giếng nước phải được đào và có thiết bị bơm thô sơ để lấy được nước Sau đó dân cư ngày càng đông lên, một số sự hiểu biết cơ bản đã được tạo ra để giải quyết vấn đề rác thải trong nước Từ thời cổ đại người ta cũng nhận ra rằng nước có thể được sử dụng để di chuyển mọi vật và cung cấp năng lượng Khi các thành phố mở rộng lớn hơn, cống dẫn nước đã được xây dựng Những cống dẫn nước có kích thước lớn và hùng vĩ nhất đã được xây dựng trong những thành phố của Rome và Trung Quốc

Tuy nhiên, hầu như tất cả các kiến thức của người cổ xưa chỉ là những ứng dụng của bản năng, ngoại trừ Archimedes (250 BC) phát hiện ra định luật đẩy lên của chất lỏng Sự phát triển đầu tiên của nghành được thực hiện bởi Leonardo Da Vinci (1452-1519), ông cũng đã có nhiều nỗ lực về nghiên cứu máy bay và phát triển một số khái niệm về lực tương hỗ Sau đó sự hiểu biết của loài người về lĩnh vực thủy khí ngày càng tăng với sự đóng góp của rất nhiều nhà khoa học

(Nguồn: http://en.wikipedia.org)

1

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÍ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG

1.1 Đối tượng và nhiệm vụ nghiên cứu

1.1.1 Khái niệm:

Kỹ thuật Thủy Khí là một môn khoa học thuộc lĩnh vực Cơ học, nghiên cứu các quy luật chuyển động và đứng yên của chất lỏng – chất khí và các quá trình tương tác lực của nó lên các vật thể khác

1.1.2 Phương pháp nghiên cứu:

Lý thuyết – Thực nghiệm:

 Lý thuyết (LT): Dự báo khả năng làm việc;

 Thực nghiệm (TN): Tính toán thực tế để kiểm tra lý thuyết

Hình 1.1 Sơ đồ nghiên cứu

Quan sát thực nghiệm

Đề ra các giả thiết

Đưa ra các phương pháp tính toán

Thực nghiệm kiểm tra lại

Kiểm tra lý thuyết

2

1.1.3 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là Lưu Chất bao gồm:

thoáng

Chiếm toàn bộ thể tích bình chứa, không có mặt

thoáng Lực liên kết

Ứng xử dưới

tác động của

lực cắt

Biến dạng hữu hạn Biến dạng liên tục Biến dạng liên tục

Ứng suất tỷ

lệ với biến dạng

Ứng suất tỷ lệ với tốc

độ Ứng suất tỷ lệ với tốc độ

Hình 1.2 Sơ đồ nghành cơ học chất lưu

3

Chất rắn Chất lỏng Chất khí

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử chất rắn, lỏng, khí

Hình 1.4 Ứng suất tiếp 1.1.4 Mục đích của môn học

 Nghiên cứu đặc tính của chất lưu;

 Ứng xử của chất lưu;

 Diễn biến cơ học của môi trường chất lưu

Hình 1.5 Mục đích môn học

1.2 Môt số tính chất cơ bản của chất lưu

Khối lượng riêng và trọng lượng riêng, nhiệt độ, áp suất, thể tích, độ nhớt.v.v…

4

1.2.1 Khối lượng riêng và trọng lượng riêng

 Khối lượng riêng

Hình 1.6 Biểu đồ lưu tốc theo chiều sâu

Hình 1.7 Biểu đồ chất lưu Newtonian và phi Newtonian

6

Hình 1.8 Sự phụ thuộc độ nhớt và nhiệt độ

7

CHƯƠNG 2 TĨNH HỌC CHẤT LONG

2.1 Khái niệm về ứng suất

Đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ.v.v…

Hình 2.1 Hình ảnh ứng suất

2.2 Khái niệm áp suất thủy tĩnh

Áp suất thủy tĩnh là những ứng suất gây ra bởi các ngoại lực tác dụng lên chất lỏng ở trạng thái tĩnh Được chia làm ba loại chính:

Áp suất tuyệt đối (Pabs: Absolute pressure);

Áp suất dư (Pgage: Gage pressure);

Pgage = Pabs - Patm

Áp suất chân không (Pvac: Vacuum pressure)

Pvac = Patm - Pabs

Hình 2.2 Các loại áp suất thủy tĩnh

8

2.3 Các tính chất của áp suất thủy tĩnh tại một điểm

Áp suất của một điểm bất kỳ có giá trị bằng nhau theo mọi hướng;

Là một đại lượng vô hướng;

Áp suất vuông góc với mặt tiếp xúc

Hình 2.3 Áp suất của một phân tố chất lỏng

2.4 Mối quan hệ của áp suất thủy tĩnh theo độ sâu

 Trong trường hấp dẫn áp suất tăng lên theo độ sâu;

 Thiết lập mối quan hệ áp suất theo độ sâu

9

Hình 2.5 Mối quan hệ áp suất theo độ sâu (2)

 Áp suất không phụ thuộc vào hình dạng của bình chứa;

 Áp suất bằng nhau trên cùng một mặt phẳng nằm ngang

2.5 Định luật Pascal và máy ép thủy lực

Áp suất tĩnh do ngoại lực tác động lên bề mặt chất lưu được truyền nguyên vẹn đến mọi điểm trong lòng chất lưu

Hình 2.6 Ứng dụng của định luật Pascal

11

Hình 2.8 Tính toán hợp lực và điểm đặt hợp lực

Hình 2.9 Mô men quán tính của một số hình đặc trưng

Hình 2.10 Tính toán cho tấm phẳng hình chữ nhật

Hình 2.11 Áp lực thủy tĩnh lên mặt cong

2.7 Định luật Acsimet và điều kiện cân bằng vật nổi

2.7.1 Định luật: Acsimet

Một vật ngập trong lòng chất lỏng chịu một lực thẳng đứng từ duới lên Giá trị của nó bằng trọng lựợng khối chất lỏng mà vật đó chiếm chỗ, điểm đặt là trọng tâm hình học khối chất lỏng bị chiếm chỗ đó

Hình 2.12 Chứng minh định luật

13

body < fluid: Vật nổi;

body > fluid: Vật chìm

Hình 2.13 Các trường hợp vật nổi, lơ lửng,chìm 2.7.2 Điều kiện cân bằng vật nổi

G thấp hơn tâm đẩy B: Vật ở trạng thái cân bằng bền;

G cao hơn tâm đẩy B: Vật ở trạng thái cân bằng không bền;

G nằm trùng với vị trí của B: Vật ở trạng thái cân bằng phiến định

Hình 2.14 Điều kiện cân bằng vật nổi

14

CHƯƠNG 3 ĐỘNG HỌC CHẤT LỎNG

3.1 Các khái niệm chung

3.1.1 Phân loại chuyển động

Mặt cắt ướt (): Là mặt cắt vuông góc với vectơ vận tốc dòng chảy;

Chu vi ướt (): Là phần chu vi của mặt cắt ướt tiếp xúc với thành rắn giới hạn dòng chảy;

3.2 Phương trình liên tục của dòng chảy

3.2.1 Phương trình liên tục của dòng chảy nguyên tố

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng

dQ 1 = dQ 2

Hình 3.4 Hình ảnh dòng chảy nguyên tố

16

3.2.2 Phương trình liên tục của toàn dòng chảy

3.2.3 Phương trình vi phân liên tục dòng chảy

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho một phân tố hình hộp trong lòng chất lỏng

Hình 3.5 Mô hình thiết lập phương trình vi phân liên tục của dòng chảy

3.3 Phương trình vi phân của chất lỏng

3.3.1 Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng lý tưởng

Áp dụng định luật II của Newton cho một phân tố hình hộp trong lòng chất lỏng

17

3.3.2 Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực

Áp dụng nguyên lý bảo toàn động lượng xét cho một phân tố trong dòng chất lỏng

Hình 3.6 Thành lập phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực

3.4 Phương trình Becnuli

3.4.1 Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng

Áp dụng định luật bảo toàn động năng

Hình 3.7 Thành lập phương trình Becnuli cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng

18

3.4.2 Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng thực

Hình 3.8 Ý nghĩa hình học và năng lượng của phương trình Becnuli

3.4.3 Phương trình Becnuli viết cho toàn dòng chảy thực

3.4.4 Áp dụng phương trình Becnuli

 Dụng cụ đo vận tốc ống Pito - Prandtl

Để đo vận tốc của một điểm trong dòng chảy ta cắm ống đo áp và ống Pito hình chữ L vào dòng chảy

Hình 3.9 Ống pito

19

 Lưu lượng kế Venturi

Áp dụng công thức

Hình 3.10 Ống Venturi

3.5 Phương trình biến thiên động lượng

3.5.1 Đối với dòng nguyên tố chuyển động dừng

Sự biến thiên động lượng theo gian của dòng chất lỏng bằng tổng ngoại lực tác dụng lên chúng

Hình 3.11 Thành lập phương trình biến thiên động lượng cho dòng nguyên tố

20

3.5.2 Phương trình biến thiên động lượng đối với toàn dòng

Hình 3.12 Thành lập phương trình biến thiên động lượng cho toàn dòng

3.6 Phương trình momen động lượng

Hình 3.13 Thành lập phương trình momen động lượng

Re < Repgd: Thì trạng thái của nó là chảy tầng;

Re > Repgt: Thì trạng thái của nó là chảy rối;

Repgd < Re < Repgt: Thì trạng thái của nó có thể là chảy tầng hoặc rối; Repgt = 12000 – 50000; Repgd = 2320 ( Re < 2320: Trạng thái chảy tầng;

Re > 2320: Trạng thái chảy rối)

4.2 Tổn thất năng lượng trong dòng chảy

Tổn thất dọc đường (hwd);

22

Tổn thất cục bộ (hwc)

4.2.1 Tổn thất năng lượng dọc đường trong chảy tẩng

(Trong ống tròn nằm ngang)

Hình 4.2 Phân bố vận tốc, ứng suất của chảy tẩng trong ống tròn

4.2.2 Tổn thất năng lượng dọc đường trong chảy rối

Hình 4.3 Mặt cắt ngang dòng chảy rối trong ống tròn 4.2.3 Tổn thất năng lượng cục bộ

Biểu đồ phân bố vận tốc có dạng Parabol

4.4 Dòng chảy rối trong ống

Ở trạng thái chảy rối trong ống người ta đưa vào hệ số nhớt bổ sung, biểu đồ phân bố vận tốc có dạng logarit

24

CHƯƠNG 5 CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT KHÍ

5.1 Các phương trình cơ bản của chất khí

5.1.1 Phương trình trạng thái

Đối với chất khí hoàn hảo ta có:

5.1.2 Phương trình lưu lượng

Có dạng giống như chất lỏng nén được

5.1.3 Phương trình Becnuli

 Đối với dòng nguyên tố của chất khí tưởng;

 Xét quá trình đoạn nhiệt;

 Xét quá trình đẳng nhiệt;

5.1.4 Phương trình Entanpi

(Nhiệt hấp thụ + Công của áp lực) = (Thế năng + động năng + nội năng + công cơ học + công ma sát)