MỞ ĐẦU Mã chương: MH 32-01 Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức cơ bản ban đầu về môn học, các tính chất cơ bản của chất lưu, phân tích các lực tác dụng lên chất lỏng. Mục tiêu: Kiến thức: + Hiểu được ý nghĩa cơ bản về thủy lực + Hiểu được một số tính chất cơ bản của thủy lực Kỹ năng: + Trình bày được các khái niệm chung về thuỷ lực. + Trình bày được một số tính chất cơ bản về thuỷ lực. + Giải được một số bài toán đơn giản.
Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác và có tư duy khoa học. Nội dung chính: 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THỦY LỰC 1. Sơ lược về lịch sử phát triển Từ thời xa xưa, loài người đã biết lợi dụng sức nước phục vụ cho sinh hoạt đời sống, làm nông nghiệp, thủy lợi, kênh đập, thuyền bè… Nhà bác học Acsimet (287 – 212, trước công nguyên) đã phát minh ra lực đẩy Ácsimet tác dụng lên vật nhúng chìm trong lòng chất lỏng.
Nhà danh họa Ý – Lêôna Đơvanhxi (1452 – 1519) đưa ra khái niệm về lực cản của chất lỏng lên vật chuyển động trong nó. Ông muốn biết tại sao chim lại bay được. Nhưng phải hơn 400 năm sau, Jucopxki và Kutta mới giải thích được đó là lực nâng. 1687 – Nhà bác học thiên tài người Anh I.
Newton đã đưa ra giải thuyết về lực ma sát trong giữa các lớp chất lỏng chuyển động mà mãi hơn một thế kỷ 1 sau nhà bác học Nga – Petrop mới chứng minh giải thuyết đó bằng biểu thức toán học, làm cơ sở cho việc nghiên cứu chất lỏng lực (chất lỏng nhớt) sau này. Becnuli (1700 – 1782) là những người đã đặt cơ sở lý thuyết cho thủy khí động lực, tác nó khỏi cơ học lý thuyết để thành lập ngành riêng. Tên tuổi của Navie và Stôc gắn liền với nghiên cứu chất lỏng thực. Hai ông đã tìm ra phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng (1821 – 1845).
Nhà bác học đức – L.Prandtl đã sáng lập ra lý thuyết lớp biên (1904), góp phần giải quyết nhiều bài toán động lực học. Ngày nay, thủy khí động lực học đang phát triển mạnh mẽ, thu hút sự tập trung nghiên cứu của nhiều nhà khoa học nổi tiếng trên thế giới và trong nước; nó can thiệp hầu hết các lĩnh vực đời sống, kinh kế, …nhằm đáp ứng các nhu cầu của nền khoa học ngày càng hiện đại. Ứng dụng Phạm vi ứng dụng khá rộng rãi, có thể nói đa số các ngành trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật công nghệ và đời sống có liên quan đến chất lỏng và chất khí như giao thông vận tải, hàng không, cơ khí, công nghệ hóa chất, xây dựng, nông nghiệp, thủy lợi… mà không từng ứng dụng ít nhiều những định luật cơ bản của thủy khí. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN 2.
Một số tính chất đễ nhận biết Tính liên tục: vật chất được phân bố liên tục trong không gian. Tính dễ di động: do lực liên kết giữa các phần tử chất lỏng rất yếu, ứng suất tiếp (nội ma sát) trong chất lỏng chỉ khác 0 khi có chuyển động tương đối giữa các lớp chất lỏng. Tính chống kéo và cắt rất kém do lực liên kết và lực ma sát giữa các phần tử chất lỏng rất yếu. Tính dính ướt theo thành bình chứa chất lỏng.
Khối lượng riêng và trọng lượng riêng Khối lượng riêng ρ[kg/m3]: Khối lượng riêng ρ của một chất là một độ khối lượng trong một đơn vị thể tích của chất đó. M = W 2 Với: M[kg] - Khối lượng chất lỏng; W[m3] - Thể tích chất lỏng có khối lượng M. Khối lượng riêng thay đổi khi nhiệt độ và áp suất thay đổi. nếu nhiệt độ tăng thì khối lượng riêng giảm.
Đối với chất lỏng thì sự thay đổi không đáng kể (Bảng 1.1: Sự thay đổi khối lượng riêng khi nhiệt độ thay đổi t oC 0 4 10 30 60 80 100 (kg/m3) 999.4 Vậy ta có H2O (ở 4oC) = 103 kg/m3. Đối với chất khí sự thay đổi khối lượng theo nhiệt độ và áp suất được biểu diễn bằng phương trình trạng thái. Ta có bảng số liệu sau: Bảng 1.2: Sự thay đổi khối lượng riêng khi nhiệt độ và áp suất thay đổi t oC -3 27 100 P(Pa) 105 106 105 106 107 106 (kg/m3) 1.916 kk (ở 0oC, 760mmHg) =1,29kg/m3 Một số khối lượng riêng các chất thường gặp: - Nước biển: 1030 kg/m3 - Thủy ngân: 13546 kg/m3 - Grixerin: 1260 kg/m3 - Dầu: 800 kg/m3 Trọng lượng riêng [N/m3; KG/m3]: là lực trọng trường tác dụng lên khối lượng của một đơn vị thể tích chất lưu.3: Trọng lượng riêng của một số chất lỏng Trọng lượng riêng Tên chất lỏng Nhiệt độ [N/m3; KG/m3] Nước cất 9810 4 Nước biển 10000 ÷ 10100 4 Dầu hỏa 7750 ÷ 8040 15 Xăng máy bay 6380 15 Xăng thường 6870 ÷ 7360 15 Dầu nhờn 8730 ÷ 9030 15 Diezel 8730 ÷ 9220 15 Thủy ngân 132890 20 Cồn nguyên chất 7750 ÷ 7850 15 Lưu ý: Khối lượng của chất lỏng là một đại lượng không thay đổi còn trọng lượng của chúng thì phụ thuộc vào vị trí của nó. Quan hệ giữa ρ và : = .4: Quan hệ khối lượng riêng và trọng lượng riêng của một số chất Nước Không khí Thủy ngân ρ[kg/m3] 1000 1,228 13,6 x 103 [N/m3] 9,81 x 103 12,07 133 x 103 Tỷ trọng : là tỷ số giữa trọng lượng (khối lượng) lưu chất và nước ở điều kiện tiêu chuẩn (ĐKTC).
Tính nén và tính giãn nở vì nhiệt Tính nén được: được biểu thị bằng hệ số nén được βp[m2/N]. Hệ số nén ép là số giảm tích tương đối của chất lỏng khi áp suất tăng lên một đơn vị. 1 dW p = W dp Trong đó: W[m3] - Thể tích ban đầu của chất lỏng; dW[m3] - Số giảm thể tích khi áp suất tăng lên; dp[N/m2] - Lượng áp suất tăng lên. Ví dụ: hệ số βp của nước ở nhiệt độ 0C đến 20C có trị số trung bình là 1 1 p = ; ở nhiệt độ 100C, áp suất 500 at là p = 210000000 250000000 Tính giản nở vì nhiệt: Biểu thị bằng hệ số giản nở vì nhiệt βt[1/độ], là số thể tích tương đối của chất lỏng tăng lên khi nhiệt độ tăng lên 1 độ.
1 dW t = W dp Ví dụ: Trong những điều kiện thông thường, dầu hỏa có βt = 0,000600 ÷ 0,00800; thủy ngân có βt = 0,00018. Lưu ý, hệ số giản nở vì nhiệt lớn hơn nhiều so với hệ số nén được, song chúng đều là những trị số rất nhỏ mà trong một số tính toán thông thường có thể bỏ qua. Tính nhớt Trong quá trình chuyển động các lớp chất lỏng trượt lên nhau phát sinh ra lực ma sát trong gây ra tổn thất năng lượng và chất lỏng như thế gọi là chất lỏng có tính nhớt (chất lỏng Newton).1: Minh họa tính nhớt Năm 1687 I. Newton dựa trên thí nghiệm:có hai tấm phẳng I – chuyển động với vận tốc V có diện tích S và II – đứng yên (Hình 1.2: Tính nhớt của chất lỏng Giữa hai tấm có một lớp chất lỏng h.
Ông đã đưa ra giải thuyết về lực ma sát giữa những lớp chất lỏng lân cận chuyển động là tỉ lệ thuật với tốc độ và diện tích bề mặt tiếp xúc, phụ thuộc vào loại chất lỏng và không phụ thuộc vào áp suất. Sau đó Pêtrốp (1836-1920) đã biểu thị giả thuyết đó trong trường hợp chuyển động thẳng bằng biểu thức toán học. dv T = S dy Trong đó: T[N] - Lực ma sát trong; μ - Hệ số nhớt động lực, đặc trưng tính nhớt của chất lỏng; S - Diện tích tiếp xúc giữa hai lớp chất lỏng; dv - gradien vận tốc theo phương y vuông góc với dòng chảy dy Lực ma sát trong sinh ra ứng suất tiếp τ[N/m2]: T dv = = S dy Từ đó rút ra công thức xác định hệ số nhớt động lực μ[NS/m2]: T = dv S dy Ngoài μ còn dùng hệ số nhớt động υ[m2/S hoặc (stoc: 1st = 10-4m2/s)] trong các biểu thức có liên quan đến chuyển động: = 6 Các hệ số μ và υ thay đổi theo nhiệt độ và áp suất. Nhìn chung μ và υ của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng và tăng khi áp suất tăng.
Ví dụ: hệ số nhớt động lực của nước ở nhiệt độ 0C, μ = 0,0179 còn ở 100C, μ = 0,0028; Dầu nhờn ở nhiệt độ 0C có μ = 6,4 còn ở 60C, μ = 0, 22 và hệ số nhớt động dầu nhờn sẽ tăng gấp đôi khi áp suất tăng lên từ 1 ÷ 300 at. Để đo độ nhớt của chất lỏng , người ta dùng các loại dụng cụ đo khác nhau. Một loại dụng cụ đo độ nhớt thường dùng ở Việt Nam là Máy đo Engơle dùng để đo độ nhớt lớn hơn độ nhớt của nước.3: Máy đo độ nhớt Engơle Máy gồm có bình hình trụ kim loại 1, có đáy hình cầu hàn vào nó một ống hình trụ bằng đồng thau 3. Ống hình trụ đặt trong bình chứa nước 2.
Trong lỗ của ống hình trụ 3, đặt một ống bạch kim hình nón 4 để xả chất lỏng ra khỏi bình lỗ 1. Lỗ của ống 4 được đóng bằng một thanh đặc biệt có đường kính 3 mm. Muốn xác định độ nhớt của một chất lỏng ở nhiệt độ nào đó, ta rót 200 cm3 chất lỏng cần đo vào bình 1 và giữ đúng nhiệt độ cần thiết. Đo thời gian chảy t1 của 200 cm3 chất lỏng đo qua lỗ đáy.
Sau đó đo gian chảy t2 của 200 cm3 nước cất ở nhiệt độ 20oC (khoảng 50 giây) Tỷ số t1/t2 gọi là độ nhớt Engơle (kí hiệu 0 E) t 0 E= 1 t2 Ngoài các đơn vị Stôc và độ nhớt Engơle, thường gặp các đơn vị đo độ nhớt khác nhau, quan hệ giữa chúng với đơn vị Stôc được trình bày trong bảng.5: Quan hệ giữa các đơn vị Stôc Tên đơn vị Ký hiệu Trị số tính bằng Stôc 0, 0631 Độ Engơle 0 E 0, 07310 E − 0 E 1,80 Giây Rebon '' S 0, 00220 ''S − '' S 1, 72 Giây Redút '' R 0, 00260 '' R − '' R 48,5 Độ Bache 0 B 0 B 2. Chất lỏng thực, chất lỏng lý tưởng Trong thực tế, chất lỏng có đầy đủ tính chất cơ lý nên gọi là chất lỏng thực. Nhưng để thuận tiện cho nghiên cứu, người ta đưa ra khái niệm chất lỏng lý tưởng (hay còn gọi là chất lỏng không nhớt). Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng có tính di động tuyệt đối; hoàn toàn không chống được lực cắt và lực kéo; hoàn toàn không nén được không giãn nở và không có tính nhớt.