Giáo Trình Cơ Học Chất Lưu.pdf (Cơ Lưu Chất) | Tải Miễn Phí

Trang chủ Tìm kiếm Trang chủ Tìm kiếm Giáo trình Cơ học chất lưu pdf 95 3 MB 477 755 4.6 ( 8 lượt) Xem tài liệu Nhấn vào bên dưới để tải tài liệu Tải về Đang chuẩn bị: 60 Bắt đầu tải xuống Đang xem trước 10 trên tổng 95 trang, để tải xuống xem đầy đủ hãy nhấn vào bên trên Chủ đề liên quan Cơ lưu chất Cơ học lý thuyết Giáo trình cơ học chất lưu Cơ học chất lưu Tĩnh học chất lưu Lý thuyết chất lưu

Nội dung

Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đối tượng, phạm vi và mục đích của học phần Cơ học chất lưu là một môn khoa học thuộc lĩnh vực cơ học, nghiên cứu các quy luật chuyển động và đứng yên của chất lưu và các quá trình tương tác của nó với các vật khác. Chất lưu bao gồm chất lỏng và khí giống như các môi trường liên tục, được cấu tạo từ nhiều phân tử (chất điểm). Khác với vật rắn, các phân tử của chất lưu có thể chuyển động hỗn loạn bên trong khối chất lưu, vì vậy chất lưu luôn có hình dạng thay đổi phụ thuộc hình dạng bình chứa. Chất khí khác với chất lỏng ở chỗ thể tích của một khối khí có thể thay đổi phụ thuộc thể tích bình chứa, khối lượng riêng hay mật độ phân tử của chất lỏng lớn hơn hàng ngàn lần so với của chất khí. Ở điều kiện bình thường, các phân tử của chất lỏng luôn giữ khoảng cách trung bình cố định ngay cả trong quá trình chuyển động hỗn loạn, vì vậy chất lỏng được xem là không chịu nén dưới tác động của ngoại lực. Đối với chất khí, lực đẩy giữa các phân tử chỉ xuất hiện khi khoảng cách giữa các phân tử giảm khá nhỏ, cho nên ở điều kiện bình thường chất khí bị nén dễ dàng. Phạm vi nghiên cứu của học phần cơ học chất lưu là các trạng thái vật lý, các qui luật vận động và tương tác của chất lưu ở trạng thái tĩnh và động. Mục đích của học phần cơ học chất lưu là Trang bị cho người học những hiểu biết nền tảng về các hiện tượng Vật lý xảy ra trong chất lưu, có kiến thức cơ bản để giải quyết các bài toán về cơ học chất lưu. Có thể vận dụng kiến thức để làm việc trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: thiết kế các phương tiện vận chuyển; tính toán cho cấp, thoát nước, công trình thủy lợi và xây dựng, thiết kế các thiết bị thủy lực, … 1.2 Tính chất vật lý cơ bản của chất lưu 1.2.1 Khối lượng riêng, trọng lượng riêng, tỷ trọng, thể tích Khối lượng riêng trung bình của chất lưu theo định nghĩa là khối lượng của một đơn vị thể tích chất lưu:   m V (1.1) 1 trong đó tích V. là khối lượng riêng trung bình, m là khối lượng của khối chất lưu có thể Trong khối chất lưu có thể có sự phân bố mật độ không đồng đều, khi đó khối lượng riêng  tại một điểm nào đó của chất lưu được tính bởi: m dm  V 0 V dV   lim (1.2) Trong hệ đơn vị SI,  có đơn vị là kg/m3. Trọng lượng riêng  của chất lưu là lực trọng trường tác dụng lên một đơn vị thể tích chất lưu:  = g (1.3) với g là gia tốc trọng trường tại vị trí của khối chất lưu Trong hệ đơn vị SI,  có đơn vị là N/m3. Trong thực tế còn dùng đơn vị kgf/m3, 1 kgf = 9,81 N Tỉ trọng  của một chất lưu là tỉ số của khối lượng riêng  của chất lưu đó đối với khối lượng riêng của nước:   n (1.4) Tại cùng vị trí thì g = const, do đó:   n (1.4’) Ví dụ: Nước có n = 1000 kg/m3  n = 9,81.103 N/ m3 Cồn có  = 780 kg/m3  tỉ trọng của cồn  = 0,78 Thể tích riêng Vi của chất lưu được định nghĩa là thể tích của một đơn vị khối lượng chất lưu: Vi  1  (m3/kg) (1.5) Chú ý: khối lượng một vật không thay đổi nhưng trọng lượng (riêng) thay đổi do gia tốc trọng trường g thay đổi theo vĩ độ và độ cao trên mặt đất. 1.2.2 Tính nén được Đối với chất lỏng hệ số (suất hay modun) đàn hồi K được định nghĩa: 2 K  V dp dV (1.6) Do M = ρV => dM = ρdV + Vdρ = 0, nên: K dp d (1.6’) Ví dụ: ở 20o C nước có suất đàn hồi Knước = 2,2 109 N/m2 Chất lưu được xem là không nén được khi khối lượng riêng thay đổi không đáng kể ( = const). Chất lỏng thường được xem là không nén được trong hầu hết các bài toán kỹ thuật. Ví dụ: Một xilanh chứa 0,1 lít nước ở 20 oC. Nếu ép pitton để thể tích giảm 1 % thí áp suất trong xilanh tăng lên bao nhiêu? Giải: Ở 20o C, suất đàn hồi của nước Kn = 2,2.109 N/m2 Thể tích giảm 1 %  dV  -1/100 V Vậy áp suất tăng: dP = – K n dV = 2,2.109.10-2 = 2,2.107 N/m2 V Hệ số nén p được xác định bằng biểu thức: p   dV / Vo dp (1.7) với p là áp suất tuyệt đối, Vo là thể tích ban đầu của chất lưu. Suất đàn hồi K thường dùng cho chất lỏng, hầu như là hằng số, rất ít phụ thuộc vàp áp suất và nhiệt độ. Hầu hết các loại chất lỏng đều rất khó nén nên được xem như là chất lưu không nén được. Một dòng khí chuyển động với vận tốc nhỏ thì sự thay đổi khối lượng riêng không đáng kể nên vẫn được xem là chất lưu không nén được. Khi dòng khí chuyển động với vận tốc lớn hơn 0,3 lần vận tốc âm thanh ( 100 m/s) thì được xem là chất lưu nén được. Đối với chất khí, hầu hết các khí thực ở điều kiện bình thường được xem như là khí lý tưởng, chúng tuân theo phương trình trạng thái khí lý tưởng: pV = RT Hay: p = RT Trường hợp nén khí đẳng nhiệt thì: 3 pV = const Trường hợp nén khí đoạn nhiệt thì: pV = const với  là hệ số poisson hay chỉ số đoạn nhiệt. Vận tốc truyền âm trong chất lưu: c  dp  d K  1.2.3 Tính nhớt của chất lưu Chất lưu không có khả năng chịu lực cắt, khi có lực này tác dụng, nó sẽ chảy và xuất hiện lực ma sát bên trong. Ứng suất ma sát giữa các lớp chất lưu song song do sự chuyển động tương đối giữa các lớp phụ thuộc vào gradient vận tốc du/dy. Hình 1.1 Chất lỏng Newton chảy tầng Để đặc trưng cho ma sát giữa các phần tử chất lưu trong chuyển động, ta xét một chất lỏng Newton chảy tầng theo phương vuông góc với y (hình 1.1), theo định luật ma sát nhớt Newton ta có biểu thức:   du dy (1.8) Trong đó: τ là ứng suất ma sát (đơn vị là N/m2) µ là hệ số nhớt động lực học u là vận tốc chất lưu, phụ thuộc vào y Trong hệ đơn vị SI, đơn vị của µ là 4 N .s kg . Trong thực tế còn  Pa.s  2 ms m dùng đơn vị poise, 1 poise = 0,1 Pa.s. Ngoài hệ số động lực học µ, người ta còn sử dụng hệ số nhớt động họcυ, được định nghĩa:    (1.9) Đơn vị của υ trong hệ SI là m2/s hay stoke, 1 stoke = 1cm2/s = 10-4 m2/s. Có hai loại chất lưu (hình 1.2): Hình 1.2 + Chất lưu Newton: có ứng suất ma sát tỉ lệ thuận với suất biến dạng, hay độ nhớt động lực học µ = const. + Chất lưu phi Newton: có ứng suất ma sát không tỉ lệ với suất biến dạng, hay độ nhớt động lực học µ  const. Độ nhớt động lực học µ = 0 đối với chất lưu lý tưởng Hệ số nhớt µ phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Khi nhiệt độ tăng đối với chất lỏng µ giảm, còn đối với chất khí thì ngược lại. Khi áp suất tăng µ của chất lỏng tăng, còn đối với chất khí µ hầu như không thay đổi khi áp suất tăng. Hầu hết các loại chất lưu thông thường như nước, xăng, dầu, … đều thỏa mãn công thức Newton, tuy nhiên một số chất lỏng kém linh động như hắc ín, nhựa nóng chảy, dầu thô, ... không tuân theo công thức Newton được gọi là chất lỏng phi Newton. Đối với chất lỏng thông thường khi chảy ở trạng thái chảy rối cũng không tuân theo công thức Newton. Với khái niệm hệ số nhớt có thể định nghĩa chất lưu lý tưởng là chất lưu có 5 hệ số nhớt (ma sát) bằng không, còn chất lưu thực có hệ số nhớt (ma sát) luôn khác không. Ðộ nhớt trong chuyển động của chất lưu thực có hai vai trò: Thứ nhất là tạo ra sự truyền chuyển động từ lớp nọ qua lớp kia, nhờ đó mà vận tốc trong dòng chất lưu thay đổi liên tục từ điểm này qua điểm khác. Thứ hai là chuyển một phần cơ năng của dòng thành nội năng của nó, tức là tạo ra sự khuếch tán cơ năng. 1.2.4 Áp suất hơi Áp suất hơi là áp suất cục bộ của phần hơi trên bề mặt tiếp xúc với chất lỏng. Nếu trong không gian kín trên bề mặt chất lỏng, khi các phần tử chất lỏng bốc hơi đạt đến trạng thái bão hoà cân bằng động với các phân tử chất lỏng ngưng tụ thì áp suất trong khoảng không gian kín đó được gọi là áp suất hơi bão hòa pbh. Áp suất hơi bão hoà tăng theo nhiệt độ. Ví dụ ở 25o C, nước có pbh = 0,025 at; ở 100o C, pbh = 1at. Khi áp suất tác dụng lên bề mặt chất lỏng  áp suất hơi bão hoà thì chất lỏng bắt đầu sôi (hoá hơi). Ví dụ có thể cho nước sôi ở 25 o C nếu hạ áp suất xuống còn 0,025at. Tại một số vùng nào đó trong dòng chảy nếu áp suất tuyệt đối nhỏ hơn giá trị áp suất hơi thì chất lỏng sẽ sủi bọt. Các bọt khí này khi vỡ sẽ gây tổn hại đến bề mặt của thành rắn gọi là hiện tượng xâm thực khí. 1.2.5 Sức căng mặt ngoài và hiện tượng mao dẫn Khoảng cách giữa các phân tử chất lỏng khá nhỏ so với trong chất khí, do đó lực hút giữa các phân tử chất lỏng là lớn hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng với các phân tử chất khí. Vì vậy lớp phân tử nằm ở mặt thoáng chất lỏng chịu một lực tác dụng hướng vào trong chất lỏng. ực tác dụng lên các phân tử ở lớp mặt ngoài chất lỏng ép lên các phân tử chất lỏng phía trong và gây nên một áp suất gọi là áp suất phân tử. Hiện tượng này làm bề mặt chất lỏng giống như một màng mỏng bị căng, nó tạo ra một sức căng trên bề mặt chất lỏng. Theo định nghĩa, sức căng bề mặt  là lực căng trên 1 đơn vị chiều dài nằm trong bề mặt cong của chất lỏng và vuông góc với đường bất kỳ trên bề mặt chất lỏng. Đơn vị trong hệ SI của  là N/m. Chính do sức căng bề mặt mà các giọt chất lỏng trong tự nhiên thường có dạng cầu. Cũng do sức căng bề mặt mà gây nên hiện tượng chất lỏng làm ướt và 6 không làm ướt chất rắn, hệ quả của nó là hiện tượng mao dẫn (hình 1.2). ọi h là chiều cao cột chất lỏng dâng lên (hay hạ xuống) trong ống mao dẫn, r là bán kính ống mao dẫn, là bán kính cong của mặt khum chất lỏng,  là góc làm ướt, theo công thức urin (hình 1.2) ta có: h 2 cos r g (1.10) Hình 1.2 Hiện tượng mao dẫn Từ công thức (1.10) ta thấy: + Nếu 0   < /2, cos > 0 chất lỏng dâng lên. + Nếu /2 <   , cos 0 chất lỏng hạ xuống. Với chất lỏng xác định, ở nhiệt độ xác định thì khối lượng riêng  và  không đổi, ống càng nhỏ (r bé) chiều cao cột chất lỏng càng lớn. Hiện tượng mao dẫn có vai trò rất quan trọng đối với tự nhiên và kỹ thuật. 7 Chương 2 TĨNH HỌC CHẤT LƯU 2.1 Áp suất thủy tĩnh 2.1.1 Khái niệm Tĩnh học chất lưu nghiên cứu chất lưu ở trạng thái cân bằng, không có chuyển động tương đối giữa các phần tử. Một khối chất lưu được gọi là ở trạng thái tĩnh tuyệt đối khi nó nằm ở trạng thái cân bằng chỉ chịu tác dụng của ngoại lực duy nhất là trọng lực. Một khối chất lưu được gọi là ở trạng thái tĩnh tương đối: khi nó nằm ở trạng thái cân bằng chịu tác dụng của nhiều ngoại lực (trọng lực, lực quán tính, lực ly tâm, ….) 2.1.2 Áp suất thủy tĩnh Khi có một vật rắn tiếp xúc với chất lỏng thì các phân tử của chất lỏng sẽ tác dụng lực vào vật rắn tiếp xúc với nó. ực tác dụng này được phân bố trên toàn bộ diện tích tiếp xúc và vuông góc với bề mặt tiếp xúc gọi là áp lực. Hình 2.1 Xét một diện tích S bất kỳ trong khối chất lưu, ọi là áp lực tác dụng vuông góc lên S (hình 2.1). Theo định nghĩa, áp suất thủy tĩnh trung bình tác dụng lên S là: p F S (2.1) 8 Áp suất thủy tĩnh tại một điểm là: F d F  S 0 S dS p  lim (2.2) 2.1.3 Tính chất - Từ định nghĩa ta thấy áp suất thủy tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực và hướng vào diện tích ấy. - Trị số áp suất thuỷ tĩnh không phụ thuộc vào hướng của diện tích chịu lực. Ta có thể chứng minh điều này: Xét sự cân bằng của một thể tích vi phân chất lưu hình tứ diện vuông góc có các cạnh x, y, z, s đặt tại gốc toạ độ (hình 2.2). Các lực lên phần tử chất lưu gồm: ực mặt: pxyz; pyxz; pzyx; psys. ực khối: 1 Fxyz 2 với  là khối lượng riêng của chất lưu, F là lực khối đơn vị. Hình 2.2 Do khối chất lưu nằm cân bằng nên tổng các lực tác dụng lên nó theo phương bất kỳ phải bằng không, chẳng hạn phương x: pxδyδz – psδyδz + p –p + x s 1 ρFxδxδyδz = 0 2 1 Fxx = 0 2 9 (2.3) với: pxδyδz là lực do p tác dụng lên mặt ABCD theo phương Ox x – psδyδz là lực do p tác dụng lên mặt BCEF chiếu lên Ox: s – p y.s.sin = – p ysz/s = –p y z s s s 1 ρFxδxδyδz là lực khối tác dụng lên phần tử chất lưu chiếu lên phương Ox 2 Từ phương trình (2.3) ta thấy khi x  0 thì px = ps. Chứng minh tương tự cho các phương khác, Cuối cùng ta có: px = py = pz = pn (2.4) Biểu thức (2.4) chính là điều phải chứng minh. 2.1.4 Đơn vị của áp suất Trong hệ đơn vị SI đơn vị của áp suất là: [p] = N/m2 = Pa Ngoài ra trong thực tế còn dùng các đơn vị: kgf/cm2, atmotphe kỹ thuật (at), dyn atmotphe vật lý (atm), m nước, mHg, cm 2 1 at = kgf/cm2 = 10 m nước = 736 mHg = 9,81.104 Pa 1 tor = 1 mHg = 133 Pa là áp suất gây nên bởi cột thuỷ ngân cao 1 mm. 1 atm là áp suất gây nên bởi cột thuỷ ngân cao 760 mHg = 1,01.105 Pa. dyn 1 N   0,1 Pa cm2 10 m2 2.1.5 Áp suất tuyệt đối, áp suất dư và áp suất chân không Áp suất tuyệt đối ptđ : là giá trị đo áp suất so với chuẩn là chân không tuyệt đối, nó chính là giá trị áp suất thực, ví dụ áp suất của không khí p k = 98100 N/m2. Áp suất dư pd: là giá trị đo áp suất so với chuẩn là áp suất khí trời (p ) tại vị a trí đo (còn gọi là áp suất tương đối) hay áp suất được so sánh với áp suất khí quyển: pd = ptđ – pa (2.3) Áp suất chân không pck: là áp suất còn thiếu cần phải thêm vào cho bằng áp suất khí trời: pck = pa – ptđ = 98100 N/m2 – ptđ = – pd 10 (2.4) This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.

Tìm kiếm

Chủ đề

Đồ án tốt nghiệp Tài chính hành vi Lý thuyết Dow Mẫu sơ yếu lý lịch Đề thi mẫu TOEIC Thực hành Excel Bài tiểu luận mẫu Trắc nghiệm Sinh 12 Atlat Địa lí Việt Nam Giải phẫu sinh lý Hóa học 11 Đơn xin việc adblock ​ Bạn đang sử dụng trình chặn quảng cáo?

Nếu không có thu nhập từ quảng cáo, chúng tôi không thể tiếp tục tài trợ cho việc tạo nội dung cho bạn.

Tôi hiểu và đã tắt chặn quảng cáo cho trang web này