Cơ Bản Về Cơ Học Chất Lỏng: Từ Lý Thuyết Đến Ứng Dụng Thực Tế

Cơ học chất lưu: Khám phá các nguyên lý, tính chất và ứng dụng của chất lỏng và chất khí trong kỹ thuật và đời sống. Tìm hiểu về áp suất, lưu lượng, lực đẩy.

• Tác giả: Genick Bar–Meir
• Chuyên ngành: Fluid Mechanics
• Đề tài: Basics of Fluid Mechanics
• Loại tài liệu: essay
• Năm xuất bản: 2013, 2011, 2010, 2009, 2008, 2007, 2006
• Địa điểm: Chicago

Mục lục chi tiết

• Nomenclature
• GNU Free Documentation License
• APPLICABILITY AND DEFINITIONS
• COPYING IN QUANTITY
• COLLECTIONS OF DOCUMENTS
• AGGREGATION WITH INDEPENDENT WORKS
• FUTURE REVISIONS OF THIS LICENSE
• ADDENDUM: How to use this License for your documents
• How to contribute to this book
• Typo corrections and other ”minor” contributions
• Open Channel Flow
• 1. Introduction to Fluid Mechanics
• 1.1. What is Fluid Mechanics?
• 1.2. Brief History
• 1.3. Kinds of Fluids
• 1.3.1. Shear Stress
• 1.3.2. Non–Newtonian Fluids
• 1.3.3. Surface Tension
• 1.3.4. Estimation of The Viscosity
• 1.4. Properties of Fluids
• 1.4.1. Wetting of Surfaces
• 2. Review of Thermodynamics
• 2.1. The Ideal Gas Model
• 3. Review of Mechanics
• 3.1. Kinematics of of Point Body
• 3.2. Center of Mass
• 3.2.1. Actual Center of Mass
• 3.2.2. Aproximate Center of Area
• 3.3. Moment of Inertia
• 3.3.1. Moment of Inertia for Mass
• 3.3.2. Moment of Inertia for Area
• 3.3.3. Examples of Moment of Inertia
• 3.4. Product of Inertia
• 3.5. Principal Axes of Inertia
• 3.4. Newton’s Laws of Motion
• 3.5. Angular Momentum and Torque
• 3.5.1. Tables of geometries
• 4. Fluids Statics
• 4.1. Introduction
• 4.2. The Hydrostatic Equation
• 4.3. Pressure and Density in a Gravitational Field
• 4.3.1. Constant Density in Gravitational Field
• 4.3.3. Varying Density in a Gravity Field
• 4.3.4. The Pressure Effects Due To Temperature Variations
• 4.3.5. Gravity Variations Effects on Pressure and Density
• 4.4. Fluid in a Accelerated System
• 4.4.1. Fluid in a Linearly Accelerated System
• 4.4.2. Angular Acceleration Systems: Constant Density
• 4.4.3. Fluid Statics in Geological System
• 4.5. Fluid Forces on Surfaces
• 4.5.1. Fluid Forces on Straight Surfaces
• 4.5.2. Forces on Curved Surfaces
• 4.6. Buoyancy and Stability
• 4.7. Rayleigh–Taylor Instability
• 5. Mass Conservation
• 5.1. Non Deformable Control Volume
• 5.1.2. Constant Density Fluids
• 5.4. Reynolds Transport Theorem
• 5.5. Examples For Mass Conservation
• 5.6. The Details Picture – Velocity Area Relationship
• 5.7. More Examples for Mass Conservation
• 6. Momentum Conservation
• 6.1. Momentum Governing Equation
• 6.1.1. Introduction to Continuous
• 6.1.3. Momentum Governing Equation
• 6.1.4. Momentum Equation in Acceleration System
• 6.1.5. Momentum For Steady State and Uniform Flow
• 6.2. Momentum Equation Application
• 6.2.1. Momentum for Unsteady State and Uniform Flow
• 6.2.2. Momentum Application to Unsteady State
• 6.3. Conservation Moment Of Momentum
• 6.4. More Examples on Momentum Conservation
• 6.5.
• 6.5.1. The First Law of Thermodynamics
• 6.5.2. Limitation of Integral Approach
• 6.5.3. Approximation of Energy Equation
• 6.5.3.1. Energy Equation in Steady State
• 6.5.3.2. Energy Equation in Frictionless Flow and Steady State
• 6.5.4. Energy Equation in Accelerated System
• 6.5.4.1. Energy in Linear Acceleration Coordinate
• 6.5.4.2. Linear Accelerated System
• 6.5.4.3. Energy Equation in Rotating Coordinate System
• 6.5.4.4. Simplified Energy Equation in Accelerated Coordinate
• 6.5.5. Energy Losses in Incompressible Flow
• 6.5.5. Examples of Integral Energy Conservation
• 8. Differential Analysis
• 8.1. Mass Conservation Examples
• 8.2. Simplified Continuity Equation
• 8.3. Conservation of General Quantity
• 8.3.1. Generalization of Mathematical Approach for Derivations
• 8.3.2. Examples of Several Quantities
• 8.5. Derivations of the Momentum Equation
• 8.6. Boundary Conditions and Driving Forces
• 8.6.1. Boundary Conditions Categories
• 8.7. Examples for Differential Equation (Navier-Stokes)
• 9. Dimensional Analysis
• 9.2. Theory Behind Dimensional Analysis
• 9.3. Dimensional Parameters Application for Experimental Study
• 9.3.1. Construction of the Dimensionless Parameters
• 9.3.2. Basic Units Blocks
• 9.3.3. Implementation of Construction of Dimensionless Parameters
• 9.3.4. Similarity and Similitude
• 9.4. The Pendulum Class Problem
• 9.4.4. Summary of Dimensionless Numbers
• 9.4.1. The Significance of these Dimensionless Numbers
• 9.4.2. Relationship Between Dimensionless Numbers
• 9.4.3. Examples for Dimensional Analysis
• 9.6. Appendix summary of Dimensionless Form of Navier–Stokes Equations
• 10. Potential Flow
• 10.1. Inviscid Momentum Equations
• 10.2. Potential Flow Function
• 10.2.1. Streamline and Stream function
• 10.2.2. Compressible Flow Stream Function
• 10.2.3. The Connection Between the Stream Function and the Potential Function
• 10.3. Potential Flow Functions Inventory
• 10.3.1. Flow Around a Circular Cylinder
• 10.4. Conforming Mapping
• 10.4.1. Complex Potential and Complex Velocity
• 10.5. Unsteady State Bernoulli in Accelerated Coordinates
• 11. Compressible Flow One Dimensional
• 11.1. What is Compressible Flow?
• 11.2. Why Compressible Flow is Important?
• 11.3. Speed of Sound
• 11.3.2. Speed of Sound in Ideal and Perfect Gases
• 11.3.3. Speed of Sound in Almost Incompressible Liquid
• 11.3.4. Speed of Sound in Solids
• 11.3.5. The Dimensional Effect of the Speed of Sound
• 11.4. Isentropic Flow
• 11.4.1. Stagnation State for Ideal Gas Model
• 11.4.2. Isentropic Converging-Diverging Flow in Cross Section
• 11.4.3. The Properties in the Adiabatic Nozzle
• 11.4.4. Isentropic Flow Examples
• 11.4.5. Mass Flow Rate (Number)
• 11.5. Normal Shock
• 11.5.1. Solution of the Governing Equations
• 11.5.3. Operating Equations and Analysis
• 11.5.4. The Moving Shocks
• 11.5.5. Shock or Wave Drag Result from a Moving Shock
• 11.5.6. Tables of Normal Shocks, k = 1.4
• 11.6. Isothermal Flow
• 11.6.1. The Control Volume Analysis/Governing equations
• 11.6.3. The Entrance Limitation of Supersonic Branch
• 11.6.5. Figures and Tables
• 11.6.6. Isothermal Flow Examples
• 11.7. Fanno Flow
• 11.7.2. Non–Dimensionalization of the Equations
• 11.7.3. The Mechanics and Why the Flow is Choked?
• 11.7.4. The Working Equations
• 11.7.5. Examples of Fanno Flow
• 11.7.7. The Pressure Ratio, P2 / P1 , effects
• 11.7.8. Practical Examples for Subsonic Flow
• 11.7.9. Subsonic Fanno Flow for Given 4 D fL and Pressure Ratio
• 11.7.10. Subsonic Fanno Flow for a Given M1 and Pressure Ratio
• 11.7.11. More Examples of Fanno Flow
• 11.8. Rayleigh Flow
• 11.8.8. The Table for Fanno Flow
• 11.8.2. Rayleigh Flow Tables and Figures
• 11.8.3. Examples For Rayleigh Flow
• 12. Compressible Flow 2–Dimensional
• 12.1. Preface to Oblique Shock
• 12.1.1. Solution of Mach Angle
• 12.1.2. When No Oblique Shock Exist or the case of D > 0
• 12.1.3. Application of Oblique Shock
• 12.3. Prandtl-Meyer Function
• 12.3.3. Alternative Approach to Governing Equations
• 12.3.4. Comparison And Limitations between the Two Approaches
• 12.4. The Maximum Turning Angle
• 12.5. The Working Equations for the Prandtl-Meyer Function
• 12.7. Flat Body with an Angle of Attack
• 12.8. Examples For Prandtl–Meyer Function
• 12.9. Combination of the Oblique Shock and Isentropic Expansion
• 13. Multi–Phase Flow
• 13.3. What to Expect From This Chapter
• 13.4. Kind of Multi-Phase Flow
• 13.5. Classification of Liquid-Liquid Flow Regimes
• 13.5.1. Co–Current Flow
• 13.6. Multi–Phase Flow Variables Definitions
• 13.6.1. Multi–Phase Averaged Variables Definitions
• 13.7. Homogenized Models
• 13.7.1. Pressure Loss Components
• 13.7.2. Lockhart Martinelli Model
• 13.8. Solid–Liquid Flow
• 13.8.1. Solid Particles with Heavier Density ρS > ρL
• 13.8.2. Solid With Lighter Density ρS < ρ and With Gravity
• 13.9. Counter–Current Flow
• 13.9.1. Horizontal Counter–Current Flow
• 13.9.2. Flooding and Reversal Flow
• 13.10. Multi–Phase Conclusion
• A. Mathematics For Fluid Mechanics
• A.1. Trigonometry
• A.2. Differential Operators of Vectors
• A.3. Differentiation of the Vector Operations
• A.2. Ordinary Differential Equations (ODE)
• A.2.1. First Order Differential Equations
• A.2.2. Variables Separation or Segregation
• A.2.3. Non–Linear Equations
• A.2.4. Second Order Differential Equations
• A.2.5. Non–Linear Second Order Equations
• A.2.6. Third Order Differential Equation
• A.2.7. Forth and Higher Order ODE
• A.2.8. A general Form of the Homogeneous Equation
• A.3. Partial Differential Equations
• A.3.1. First-order equations
• Index
• Subjects Index

Tóm tắt

I. Cơ Học Chất Lỏng Khám Phá Cơ Bản và Ứng Dụng Thực Tế

Cơ học chất lỏng là một nhánh của vật lý học nghiên cứu về hành vi của chất lỏng (chất lỏng và chất khí) khi chịu tác dụng của lực. Nó bao gồm hai lĩnh vực chính: tĩnh học chất lỏng (nghiên cứu chất lỏng ở trạng thái nghỉ) và động lực học chất lỏng (nghiên cứu chất lỏng ở trạng thái chuyển động). Cơ học chất lỏng có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và khoa học, từ thiết kế máy bay và tàu thuyền đến dự báo thời tiết và nghiên cứu lưu lượng máu trong cơ thể người. Theo Bar-Meir, "Cơ học chất lỏng là một lĩnh vực rộng lớn và phức tạp, nhưng những nguyên tắc cơ bản của nó tương đối đơn giản và dễ hiểu." (Basics of Fluid Mechanics Genick Bar–Meir). Việc nắm vững các nguyên tắc này là rất quan trọng để giải quyết các vấn đề thực tế liên quan đến chất lỏng.

Nghiên cứu cơ học chất lỏng không chỉ dừng lại ở việc mô tả các hiện tượng mà còn tập trung vào việc dự đoán và kiểm soát chúng. Ví dụ, hiểu biết về động lực học chất lỏng cho phép các kỹ sư thiết kế các đường ống dẫn nước hiệu quả hơn, giảm thiểu tổn thất áp suất và tiết kiệm năng lượng. Trong lĩnh vực y học, cơ học chất lỏng giúp các nhà khoa học nghiên cứu các bệnh tim mạch và phát triển các thiết bị hỗ trợ tim hoạt động tốt hơn. Ứng dụng của cơ học chất lỏng là vô tận và tiếp tục phát triển với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ.

Tuy nhiên, việc nghiên cứu cơ học chất lỏng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Tính chất phức tạp của chất lỏng, đặc biệt là các chất lỏng phi Newton, đòi hỏi các mô hình toán học phức tạp và các phương pháp tính toán tiên tiến. Thêm vào đó, các thí nghiệm trong cơ học chất lỏng có thể khó thực hiện và đòi hỏi thiết bị đo lường chính xác. Bất chấp những khó khăn này, các nhà khoa học và kỹ sư vẫn tiếp tục khám phá những bí mật của cơ học chất lỏng và áp dụng chúng vào cuộc sống.

1.1. Giới thiệu về Tĩnh Học Chất Lỏng Áp suất và Cân bằng

Tĩnh học chất lỏng là lĩnh vực nghiên cứu về chất lỏng ở trạng thái cân bằng, nghĩa là chất lỏng không có chuyển động tương đối giữa các phần tử của nó. Một trong những khái niệm quan trọng nhất trong tĩnh học chất lỏng là áp suất. Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích. Trong chất lỏng ở trạng thái tĩnh, áp suất tại một điểm tác dụng đều theo mọi hướng. Áp suất trong chất lỏng tăng theo độ sâu do trọng lượng của chất lỏng phía trên. Theo Bar-Meir, "Áp suất tại một điểm trong chất lỏng tĩnh chỉ phụ thuộc vào độ sâu của điểm đó và mật độ của chất lỏng." (Basics of Fluid Mechanics Genick Bar–Meir).

Phương trình cơ bản của tĩnh học chất lỏng là phương trình thủy tĩnh, mô tả sự thay đổi của áp suất theo độ sâu. Phương trình này có dạng dp/dz = -ρg, trong đó dp là sự thay đổi áp suất, dz là sự thay đổi độ sâu, ρ là mật độ của chất lỏng và g là gia tốc trọng trường. Phương trình thủy tĩnh có nhiều ứng dụng trong thực tế, chẳng hạn như tính toán áp suất trong hồ chứa nước, thiết kế các công trình thủy lực và đo áp suất khí quyển.

Ngoài áp suất, một khái niệm quan trọng khác trong tĩnh học chất lỏng là lực đẩy Archimedes. Lực đẩy Archimedes là lực hướng lên tác dụng lên một vật thể nhúng trong chất lỏng. Độ lớn của lực đẩy Archimedes bằng với trọng lượng của chất lỏng mà vật thể chiếm chỗ. Lực đẩy Archimedes giải thích tại sao một số vật thể có thể nổi trên mặt nước, trong khi những vật thể khác lại chìm. Hiểu biết về tĩnh học chất lỏng là rất quan trọng để giải quyết các vấn đề liên quan đến chất lỏng ở trạng thái nghỉ, chẳng hạn như thiết kế tàu thuyền, tính toán lực tác dụng lên đập nước và nghiên cứu sự ổn định của các vật thể nổi.

1.2. Động Lực Học Chất Lỏng Dòng Chảy và Các Định Luật Bảo Toàn

Động lực học chất lỏng là lĩnh vực nghiên cứu về chất lỏng ở trạng thái chuyển động. Khác với tĩnh học chất lỏng, lĩnh vực này phức tạp hơn nhiều do sự xuất hiện của nhiều yếu tố như vận tốc, gia tốc, độ nhớt và dòng chảy rối. Một trong những khái niệm cơ bản trong động lực học chất lỏng là dòng chảy. Dòng chảy có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau, chẳng hạn như dòng chảy tầng và dòng chảy rối, dòng chảy ổn định và dòng chảy không ổn định, dòng chảy nén được và dòng chảy không nén được.

Các định luật bảo toàn đóng vai trò quan trọng trong động lực học chất lỏng. Ba định luật bảo toàn chính là: bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng và bảo toàn năng lượng. Định luật bảo toàn khối lượng phát biểu rằng khối lượng của chất lỏng không thay đổi theo thời gian. Định luật bảo toàn động lượng phát biểu rằng tổng động lượng của hệ chất lỏng không thay đổi nếu không có lực bên ngoài tác dụng vào. Định luật bảo toàn năng lượng phát biểu rằng tổng năng lượng của hệ chất lỏng không thay đổi.

Các định luật bảo toàn được biểu diễn bằng các phương trình toán học, chẳng hạn như phương trình liên tục (biểu diễn định luật bảo toàn khối lượng), phương trình Navier-Stokes (biểu diễn định luật bảo toàn động lượng) và phương trình năng lượng (biểu diễn định luật bảo toàn năng lượng). Giải các phương trình này có thể rất khó khăn, đặc biệt là đối với các dòng chảy phức tạp. Do đó, các nhà khoa học và kỹ sư thường sử dụng các phương pháp số, chẳng hạn như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp thể tích hữu hạn (FVM), để mô phỏng và phân tích các dòng chảy chất lỏng. Theo Bar-Meir, phương trình Navier-Stokes là nền tảng của động lực học chất lỏng (Basics of Fluid Mechanics Genick Bar–Meir).

II. Độ Nhớt Chất Lỏng Yếu Tố Quan Trọng và Cách Ước Tính

Độ nhớt là một tính chất quan trọng của chất lỏng, thể hiện khả năng chống lại sự biến dạng do ứng suất cắt. Nó là thước đo ma sát nội tại của chất lỏng. Chất lỏng có độ nhớt cao, chẳng hạn như mật ong, chảy chậm hơn chất lỏng có độ nhớt thấp, chẳng hạn như nước. Độ nhớt của chất lỏng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất và thành phần hóa học. Theo Bar-Meir, độ nhớt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng (Basics of Fluid Mechanics Genick Bar–Meir).

Có hai loại độ nhớt chính: độ nhớt động lực và độ nhớt động học. Độ nhớt động lực (μ) là thước đo lực cần thiết để tạo ra một vận tốc dòng chảy nhất định. Độ nhớt động học (ν) là tỷ số giữa độ nhớt động lực và mật độ của chất lỏng (ν = μ/ρ). Độ nhớt động học thường được sử dụng trong các bài toán liên quan đến dòng chảy chất lỏng.

Việc ước tính độ nhớt của chất lỏng là rất quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật. Có nhiều phương pháp để ước tính độ nhớt, từ các phương pháp thực nghiệm đơn giản đến các mô hình toán học phức tạp. Một phương pháp phổ biến là sử dụng các biểu đồ độ nhớt, thể hiện sự phụ thuộc của độ nhớt vào nhiệt độ và áp suất. Một phương pháp khác là sử dụng các phương trình tương quan, chẳng hạn như phương trình Andrade và phương trình Vogel-Fulcher-Tammann, để tính toán độ nhớt dựa trên các tính chất vật lý của chất lỏng.

2.1. Chất Lỏng Newton và Phi Newton Phân Loại và Đặc Điểm

Chất lỏng được phân loại thành hai loại chính dựa trên mối quan hệ giữa ứng suất cắt và tốc độ biến dạng: chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton. Chất lỏng Newton là chất lỏng mà ứng suất cắt tỷ lệ tuyến tính với tốc độ biến dạng. Điều này có nghĩa là độ nhớt của chất lỏng Newton là hằng số và không phụ thuộc vào tốc độ biến dạng. Ví dụ về chất lỏng Newton bao gồm nước, dầu và không khí.

Chất lỏng phi Newton là chất lỏng mà ứng suất cắt không tỷ lệ tuyến tính với tốc độ biến dạng. Điều này có nghĩa là độ nhớt của chất lỏng phi Newton không phải là hằng số và phụ thuộc vào tốc độ biến dạng. Có nhiều loại chất lỏng phi Newton khác nhau, chẳng hạn như:

• Chất lỏng giãn nở (dilatant fluids): Độ nhớt tăng khi tốc độ biến dạng tăng. Ví dụ: bột ngô pha nước.
• Chất lỏng giả dẻo (pseudoplastic fluids): Độ nhớt giảm khi tốc độ biến dạng tăng. Ví dụ: sơn, kem đánh răng.
• Chất lỏng Bingham (Bingham plastics): Cần một ứng suất cắt nhất định (ứng suất chảy) để chất lỏng bắt đầu chảy. Ví dụ: bùn, sốt cà chua.

Việc hiểu rõ sự khác biệt giữa chất lỏng Newton và phi Newton là rất quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, hóa chất và dược phẩm.

2.2. Ảnh Hưởng của Nhiệt Độ và Áp Suất Đến Độ Nhớt

Nhiệt độ và áp suất là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ nhớt của chất lỏng. Nói chung, độ nhớt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng và tăng khi áp suất tăng.

Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, các phân tử trong chất lỏng chuyển động nhanh hơn, làm giảm lực tương tác giữa chúng và do đó làm giảm độ nhớt. Mối quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ thường được mô tả bằng phương trình Arrhenius hoặc phương trình Vogel-Fulcher-Tammann.

Ảnh hưởng của áp suất: Khi áp suất tăng, các phân tử trong chất lỏng bị ép lại gần nhau hơn, làm tăng lực tương tác giữa chúng và do đó làm tăng độ nhớt. Tuy nhiên, ảnh hưởng của áp suất đến độ nhớt thường nhỏ hơn ảnh hưởng của nhiệt độ, đặc biệt là ở áp suất không quá cao.

Việc xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến độ nhớt là rất quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, chẳng hạn như thiết kế hệ thống bôi trơn, tính toán tổn thất áp suất trong đường ống dẫn dầu và mô phỏng dòng chảy trong các điều kiện khắc nghiệt.

III. Ứng Suất Bề Mặt Giải Thích Hiện Tượng và Ứng Dụng Thực Tế

Ứng suất bề mặt là một hiện tượng xảy ra ở bề mặt phân cách giữa chất lỏng và chất khí (hoặc giữa hai chất lỏng không trộn lẫn). Nó được gây ra bởi lực hút giữa các phân tử chất lỏng. Các phân tử ở bên trong chất lỏng chịu lực hút đều từ mọi hướng, trong khi các phân tử ở bề mặt chỉ chịu lực hút từ các phân tử bên trong chất lỏng và các phân tử lân cận trên bề mặt. Điều này tạo ra một lực kéo vào bên trong chất lỏng, làm cho bề mặt chất lỏng có xu hướng co lại và có diện tích nhỏ nhất. Theo Bar-Meir, ứng suất bề mặt có thể được hiểu như một "màng đàn hồi" trên bề mặt chất lỏng (Basics of Fluid Mechanics Genick Bar–Meir).

Ứng suất bề mặt được đo bằng đơn vị lực trên một đơn vị chiều dài (N/m). Độ lớn của ứng suất bề mặt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như loại chất lỏng, nhiệt độ và sự có mặt của các chất hoạt động bề mặt. Các chất hoạt động bề mặt, chẳng hạn như xà phòng, có thể làm giảm đáng kể ứng suất bề mặt của chất lỏng.

Ứng suất bề mặt có nhiều ứng dụng trong thực tế, chẳng hạn như giải thích hiện tượng mao dẫn, tạo ra các giọt chất lỏng và ổn định bọt. Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình công nghiệp, chẳng hạn như in ấn, sơn phủ và sản xuất mỹ phẩm.

3.1. Hiện Tượng Mao Dẫn Nguyên Nhân và Các Yếu Tố Ảnh Hưởng

Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng chất lỏng tự dâng lên hoặc hạ xuống trong một ống mao dẫn (ống có đường kính nhỏ). Hiện tượng này được gây ra bởi sự kết hợp của ứng suất bề mặt và lực dính giữa chất lỏng và thành ống.

Nếu lực dính giữa chất lỏng và thành ống lớn hơn lực kết dính giữa các phân tử chất lỏng, chất lỏng sẽ dâng lên trong ống mao dẫn (ví dụ: nước trong ống thủy tinh). Góc tiếp xúc giữa chất lỏng và thành ống nhỏ hơn 90 độ. Ngược lại, nếu lực dính giữa chất lỏng và thành ống nhỏ hơn lực kết dính giữa các phân tử chất lỏng, chất lỏng sẽ hạ xuống trong ống mao dẫn (ví dụ: thủy ngân trong ống thủy tinh). Góc tiếp xúc giữa chất lỏng và thành ống lớn hơn 90 độ.

Độ cao mà chất lỏng dâng lên hoặc hạ xuống trong ống mao dẫn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như ứng suất bề mặt của chất lỏng, đường kính của ống mao dẫn, góc tiếp xúc giữa chất lỏng và thành ống và mật độ của chất lỏng. Hiện tượng mao dẫn có nhiều ứng dụng trong thực tế, chẳng hạn như vận chuyển nước trong cây, thấm hút mực trong giấy và hút ẩm trong đất.

3.2. Chất Hoạt Động Bề Mặt Cơ Chế Hoạt Động và Ứng Dụng

Chất hoạt động bề mặt (surfactants) là các chất có khả năng làm giảm ứng suất bề mặt của chất lỏng. Chúng là các phân tử lưỡng tính, có nghĩa là chúng có cả phần ưa nước (hydrophilic) và phần kỵ nước (hydrophobic). Khi chất hoạt động bề mặt được thêm vào chất lỏng, phần kỵ nước của chúng sẽ hướng ra khỏi pha nước và hướng vào pha khí (hoặc pha dầu), trong khi phần ưa nước của chúng sẽ vẫn ở trong pha nước. Điều này làm giảm lực kéo vào bên trong chất lỏng và do đó làm giảm ứng suất bề mặt.

Có nhiều loại chất hoạt động bề mặt khác nhau, được phân loại dựa trên điện tích của phần ưa nước:

• Chất hoạt động bề mặt anion (anionic surfactants): Phần ưa nước mang điện tích âm. Ví dụ: xà phòng, chất tẩy rửa.
• Chất hoạt động bề mặt cation (cationic surfactants): Phần ưa nước mang điện tích dương. Ví dụ: chất làm mềm vải, chất khử trùng.
• Chất hoạt động bề mặt không ion (nonionic surfactants): Phần ưa nước không mang điện tích. Ví dụ: chất nhũ hóa trong mỹ phẩm, chất phân tán trong sơn.
• Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính (amphoteric surfactants): Phần ưa nước có thể mang điện tích dương hoặc âm, tùy thuộc vào pH của môi trường. Ví dụ: chất tạo bọt trong dầu gội, chất điều chỉnh độ nhớt trong mỹ phẩm.

Chất hoạt động bề mặt có nhiều ứng dụng trong thực tế, chẳng hạn như chất tẩy rửa, chất nhũ hóa, chất tạo bọt, chất làm ướt và chất phân tán.

IV. Phân Tích Tích Phân trong Cơ Học Chất Lỏng Bảo Toàn và Ứng Dụng

Phân tích tích phân là một phương pháp quan trọng trong cơ học chất lỏng, cho phép chúng ta nghiên cứu dòng chảy chất lỏng bằng cách áp dụng các định luật bảo toàn (khối lượng, động lượng và năng lượng) cho một vùng không gian hữu hạn, được gọi là thể tích kiểm soát. Phương pháp này đặc biệt hữu ích khi chúng ta không quan tâm đến chi tiết của dòng chảy bên trong thể tích kiểm soát, mà chỉ quan tâm đến các thông số đầu vào và đầu ra. Theo Bar-Meir, phân tích tích phân cung cấp một "cái nhìn tổng quan" về dòng chảy, thay vì một "bức tranh chi tiết" (Basics of Fluid Mechanics Genick Bar–Meir).

Định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng có thể được biểu diễn dưới dạng các phương trình tích phân, liên hệ các thông số dòng chảy (mật độ, vận tốc, áp suất) tại các bề mặt đầu vào và đầu ra của thể tích kiểm soát. Các phương trình này cho phép chúng ta tính toán các thông số quan trọng, chẳng hạn như lưu lượng, lực tác dụng lên thành ống và công suất của máy bơm.

Phân tích tích phân có nhiều ứng dụng trong thực tế, chẳng hạn như thiết kế hệ thống đường ống dẫn nước, tính toán lực đẩy của động cơ phản lực và phân tích hiệu suất của tua bin.

4.1. Bảo Toàn Khối Lượng Phương Trình Liên Tục và Ứng Dụng

Định luật bảo toàn khối lượng phát biểu rằng khối lượng của chất lỏng không thay đổi theo thời gian. Trong phân tích tích phân, định luật này được biểu diễn bằng phương trình liên tục, liên hệ lưu lượng khối lượng (mass flow rate) tại các bề mặt đầu vào và đầu ra của thể tích kiểm soát.

Phương trình liên tục có dạng: ∑(ρ * v * A)_in = ∑(ρ * v * A)_out

trong đó:

• ρ là mật độ của chất lỏng
• v là vận tốc của chất lỏng
• A là diện tích của bề mặt
• ∑ biểu thị tổng của tất cả các bề mặt đầu vào và đầu ra

Phương trình liên tục có nhiều ứng dụng trong thực tế, chẳng hạn như tính toán lưu lượng trong đường ống, xác định vận tốc dòng chảy trong vòi phun và phân tích sự pha trộn của các chất lỏng.

4.2. Bảo Toàn Động Lượng Phương Trình Động Lượng và Ứng Dụng

Định luật bảo toàn động lượng phát biểu rằng tổng động lượng của hệ chất lỏng không thay đổi nếu không có lực bên ngoài tác dụng vào. Trong phân tích tích phân, định luật này được biểu diễn bằng phương trình động lượng, liên hệ lực tác dụng lên thể tích kiểm soát với sự thay đổi động lượng của chất lỏng.

Phương trình động lượng có dạng: ∑F = ∑(ρ * v * A * v)_out - ∑(ρ * v * A * v)_in

trong đó:

• ∑F là tổng của tất cả các lực tác dụng lên thể tích kiểm soát
• ρ là mật độ của chất lỏng
• v là vận tốc của chất lỏng
• A là diện tích của bề mặt
• ∑ biểu thị tổng của tất cả các bề mặt đầu vào và đầu ra

Phương trình động lượng có nhiều ứng dụng trong thực tế, chẳng hạn như tính toán lực đẩy của động cơ phản lực, xác định lực tác dụng lên thành ống và phân tích lực tác dụng lên cánh máy bay.

V. Phân Tích Vi Phân trong Cơ Học Chất Lỏng Mô Tả Chi Tiết Dòng Chảy

Phân tích vi phân là một phương pháp khác trong cơ học chất lỏng, cho phép chúng ta nghiên cứu dòng chảy chất lỏng một cách chi tiết bằng cách áp dụng các định luật bảo toàn cho một phần tử chất lỏng vô cùng nhỏ. Phương pháp này cung cấp một "bức tranh chi tiết" về dòng chảy, cho phép chúng ta xác định các thông số dòng chảy (mật độ, vận tốc, áp suất) tại mọi điểm trong chất lỏng. Theo Bar-Meir, phân tích vi phân đòi hỏi các công cụ toán học mạnh mẽ, nhưng nó cung cấp thông tin chi tiết hơn về dòng chảy so với phân tích tích phân (Basics of Fluid Mechanics Genick Bar–Meir).

Các định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng được biểu diễn dưới dạng các phương trình vi phân, liên hệ các thông số dòng chảy và các đạo hàm của chúng. Các phương trình này thường rất khó giải, đặc biệt là đối với các dòng chảy phức tạp. Do đó, các nhà khoa học và kỹ sư thường sử dụng các phương pháp số, chẳng hạn như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp thể tích hữu hạn (FVM), để mô phỏng và phân tích các dòng chảy chất lỏng.

5.1. Phương Trình Liên Tục Vi Phân Dòng Chảy Nén Được và Không Nén Được

Phương trình liên tục vi phân là một biểu thức toán học của định luật bảo toàn khối lượng áp dụng cho một phần tử chất lỏng vô cùng nhỏ. Đối với dòng chảy không nén được (mật độ không đổi), phương trình liên tục vi phân có dạng: ∇ · v = 0

trong đó:

• ∇ là toán tử nabla (∇ = ∂/∂x i + ∂/∂y j + ∂/∂z k)
• v là véctơ vận tốc

Đối với dòng chảy nén được (mật độ thay đổi), phương trình liên tục vi phân có dạng: ∂ρ/∂t + ∇ · (ρv) = 0

5.2. Phương Trình Navier Stokes Nền Tảng của Động Lực Học Chất Lỏng

Phương trình Navier-Stokes là một hệ phương trình vi phân mô tả sự chuyển động của chất lỏng nhớt. Nó là một trong những phương trình quan trọng nhất trong cơ học chất lỏng và là nền tảng cho nhiều ứng dụng kỹ thuật. Phương trình Navier-Stokes là một biểu thức toán học của định luật bảo toàn động lượng áp dụng cho một phần tử chất lỏng vô cùng nhỏ. Nó bao gồm ba phương trình, tương ứng với ba thành phần của véctơ vận tốc. Phương trình Navier-Stokes có dạng:

ρ(∂v/∂t + (v · ∇)v) = -∇p + μ∇²v + f

trong đó:

• ρ là mật độ của chất lỏng
• v là véctơ vận tốc
• t là thời gian
• p là áp suất
• μ là độ nhớt của chất lỏng
• f là lực tác dụng lên một đơn vị thể tích

Việc giải phương trình Navier-Stokes rất khó khăn và thường chỉ có thể thực hiện được bằng các phương pháp số.

VI. Phân Tích Thứ Nguyên Giảm Thiểu Thử Nghiệm và Tìm Hiểu Bản Chất

Phân tích thứ nguyên là một công cụ quan trọng trong cơ học chất lỏng, cho phép chúng ta giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết để nghiên cứu một hiện tượng và tìm hiểu bản chất của hiện tượng đó. Phân tích thứ nguyên dựa trên nguyên tắc rằng các phương trình vật lý phải có tính đồng nhất về thứ nguyên, nghĩa là cả hai vế của phương trình phải có cùng thứ nguyên. Bằng cách sử dụng phân tích thứ nguyên, chúng ta có thể nhóm các biến vật lý thành các số không thứ nguyên, giúp giảm số lượng biến độc lập cần nghiên cứu. Theo Bar-Meir, phân tích thứ nguyên cho phép chúng ta "tìm ra các quy luật ẩn sau các con số" (Basics of Fluid Mechanics Genick Bar–Meir).

Một ví dụ điển hình về ứng dụng của phân tích thứ nguyên là nghiên cứu lực cản tác dụng lên một vật thể chuyển động trong chất lỏng. Thay vì phải thực hiện nhiều thí nghiệm với các vật thể có kích thước và hình dạng khác nhau, chúng ta có thể sử dụng phân tích thứ nguyên để nhóm các biến liên quan (lực cản, vận tốc, kích thước vật thể, mật độ và độ nhớt của chất lỏng) thành các số không thứ nguyên, chẳng hạn như số Reynolds và hệ số cản. Điều này giúp chúng ta giảm đáng kể số lượng thí nghiệm cần thiết và tìm ra mối quan hệ giữa các biến.

6.1. Số Reynolds Phân Loại Dòng Chảy Tầng và Rối

Số Reynolds (Re) là một số không thứ nguyên quan trọng trong cơ học chất lỏng, được sử dụng để dự đoán xem dòng chảy sẽ là dòng chảy tầng hay dòng chảy rối. Nó được định nghĩa là tỷ số giữa lực quán tính và lực nhớt trong dòng chảy.

Số Reynolds được tính bằng công thức: Re = (ρ * v * L) / μ

trong đó:

• ρ là mật độ của chất lỏng
• v là vận tốc đặc trưng của dòng chảy
• L là chiều dài đặc trưng của vật thể
• μ là độ nhớt của chất lỏng

Đối với số Reynolds nhỏ, lực nhớt chiếm ưu thế và dòng chảy là dòng chảy tầng (các lớp chất lỏng trượt lên nhau một cách trật tự). Đối với số Reynolds lớn, lực quán tính chiếm ưu thế và dòng chảy là dòng chảy rối (dòng chảy hỗn loạn và không trật tự).

6.2. Các Số Không Thứ Nguyên Quan Trọng Khác Mach Froude và Weber

Ngoài số Reynolds, có nhiều số không thứ nguyên khác đóng vai trò quan trọng trong cơ học chất lỏng, mỗi số đại diện cho tỷ lệ giữa các lực khác nhau trong dòng chảy:

• Số Mach (Ma): Tỷ lệ giữa vận tốc của dòng chảy và vận tốc âm thanh. Số Mach quan trọng trong dòng chảy nén được, nơi mà sự thay đổi mật độ của chất lỏng là đáng kể.
• Số Froude (Fr): Tỷ lệ giữa lực quán tính và lực trọng trường. Số Froude quan trọng trong dòng chảy bề mặt tự do, chẳng hạn như dòng chảy trong kênh và sóng trên mặt nước.
• Số Weber (We): Tỷ lệ giữa lực quán tính và lực ứng suất bề mặt. Số Weber quan trọng trong dòng chảy có bề mặt phân cách, chẳng hạn như giọt chất lỏng và bọt.