Bài giảng Thủy lực môi trường - Chương 1: Mở đầu

Nội dung text: Bài giảng Thủy lực môi trường - Chương 1: Mở đầu

1. Bài giảng THỦY LỰC MƠI TRƯỜNG GV: Trần Đức Thảo TÀI LIỆU THAM KHẢO  Giáo trình chính: [1] PGS. TS. Vương Đình Đước, Thủy lực mơi trường, Trường ĐH Cơng nghiệp thực phẩm thành phố Hồ Chí Minh, 2013.  Giáo trình tham khảo: [1] TS. Huỳnh Phú, Thủy lực mơi trường, Viện Khoa học cơng nghệ & Quản lý mơi trường – ĐH Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh, 2008. [2] Nhĩm tác giả, Sổ tay Quá trình và thiết bị cơng nghệ hố chất (tập 1 & tập 2), NXB. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006. [3] Phùng Văn Khương, Trần Đình Nghiên, Phạm Văn Vĩnh, Thủy lực đại cương, ĐH GTVT. 1
2.  Giáo trình tham khảo: [4] Trần Văn Bắc, Thủy lực đại cương, ĐH Bách khoa Hà Nội, 2003. [5] Hồng Đức Liên, Thủy lực và cấp thốt nước trong nơng nghiệp, ĐH Nơng nghiệp, 2005. [6]. Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Ngọc Tảo, Thủy lực, ĐH Thủy lợi, 2007. [7]. Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Ngọc Tảo, Bài tập thủy lực, ĐH Thủy lợi, 2007. NỘI DUNG MƠN HỌC  Chương 1: Mở đầu  Chương 2: Tĩnh học của chất lỏng  Chương 3: Cơ sở động lực học chất lỏng  Chương 4: Tổn thất thủy lực  Chương 5: Dịng chảy qua lỗ và vịi – Dịng tia  Chương 6: Dịng chảy ổn định trong ống cĩ áp  Chương 7: Dịng chảy đều trong kênh hở Chương 1: Mở đầu 2
3. NỘI DUNG CHƯƠNG 1 1.1. Nội dung mơn học 1.2. Sơ lược lịch sử phát triển mơn thủy lực 1.3. Khái niệm về chất lỏng trong thủy lực 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của chất lỏng 1.5. Lực tác dụng 1.1. Nội dung mơn học  Thủy lực là 1 mơn Khoa học → quy luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng và ứng dụng chúng vào thực tiễn. → Mơn khoa học ứng dụng và rất cần thiết cho các cán bộ kỹ thuật.  Nội dung mơn học: Thủy tĩnh và thủy động. → Đây là mơn học cơ sở cho các ngành KT: cấp thốt nước, thủy lợi, mơi trường, 1.2. Sơ lược lịch sử phát triển mơn thủy lực  Thủy lực cĩ lịch sử phát triển rất lâu đời, từ khi con người biết lợi dụng sức nước để phục vụ sinh hoạt, nơng nghiệp, thủy lợi,  Acsimet (250 TCN) là nhà bác học đầu tiên đặt nền mĩng về thủy lực thơng qua định luật về vật nổi.  Sang TK 18, 19 thủy lực đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là từ khi xuất hiện định luật Becnoulli. 3
4. 1.2. Sơ lược lịch sử phát triển mơn thủy lực  Sau đĩ thủy lực tiếp tục phát triển và nhiều nhà khoa học đã cĩ những cơng trình nghiên cứu hết sức quan trọng: Sêdi, Đácxi, Raynolds, Giucốpski, 1.3. Khái niệm về chất lỏng trong thủy lực  Chất lỏng cĩ mối liên hệ cơ học giữa các phân tử trong nĩ rất yếu nên chất lỏng cĩ tính dễ di động, dễ chảy (tính chảy).  Do khoảng cách giữa các phần tử chất lỏng rất nhỏ → sức dính rất lớn làm cho chất lỏng giữ được thể tích khơng đổi khi bị thay đổi áp lực, nhiệt độ (chống lại sức nén).  Chất lỏng cịn được coi là chất chảy dạng hạt. 1.3. Khái niệm về chất lỏng trong thủy lực  Trong thủy lực, chất lỏng được coi như mơi trường liên tục → chỉ nghiên cứu những vận động cơ học của chất lỏng dưới tác dụng của ngoại lực. → Trong mơn thủy lực, các nghiên cứu và tính tốn được dựa trên giả thuyết cơ bản là cĩ tính liên tục, tính chảy và tính khơng nén được. 4
5. 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL a. Khối lượng:  Biểu thị bằng khối lượng đơn vị (ρ – KL riêng)  Đối với chất lỏng đồng nhất, KL đơn vị được tính bằng tỷ số khối lượng (M) và thể tích (V): M = ,kg / m3 V  Đvới nước, KL đơn vị lấy bằng khối lượng của đơn vị thể tích nước cất ở +40C, ρ = 1000 kg/m3 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL b. Trọng lượng:  Biểu thị bằng trọng lượng đơn vị (γ – TL riêng)  Đối với chất lỏng đồng nhất, TL đơn vị được tính bằng tích số của KLR (ρ) với gia tốc rơi tự do (g = 9,81m/s2): M G  = .g = .g = , N / m3 V V  Trong đĩ: G – Trọng lượng 0 3  Đvới nước, ở +4 C, γ= 9810 N/m 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và nhiệt độ:  Hầu như CL khơng thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và nhiệt độ. = − 1 dW 2  Khi thay đổi áp suất: w . ,m / N W dp  Trong đĩ: βw – hệ số co thể tích; dW – độ giảm thể tích tương ứng với độ tăng áp suất dp. 5
6. 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và nhiệt độ: 0  Trong phạm vi: p = 1 – 500at và t = 0 – 20 C thì 2 βw =0,00005cm /kG ~ 0  Mơ đun đàn hồi (K): 1 dp K = = −W. , N / m 2  w dW 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và nhiệt độ:  Khi thay đổi nhiệt độ: 1 dW −  = . ,0C 1 t W dt  Trong đĩ: βt – hệ số dãn nở vì nhiệt; dW – độ biến đổi thể tích W ứng với sự tăng nhiệt độ lên 10C. 0 0 -1  T= 4 – 10 C, p = const → βt = 0,000015 C ~ 0 Ví dụ 1: Nồi áp lực gồm phần trụ tròn có đường kính d=1000mm, dài l=2m; đáy và nắp có dạng bán cầu. Nồi chứa đầy nước với áp suất p0. Xác định thể tích nước cần nén thêm vào nồi để tăng áp suất trong nồi từ p0=0 đến p1=1000at. Biết hệ -5 số nén của nước là βp=4,112.10 cm2/kgf=4,19.10-10 m2/N. Xem như bình không giản nở khi nén. 6
7. Ví dụ 2: Dầu mỏ được nén trong xi lanh bằng thép thành dày tiết diện đều như hình vẽ. Xem như thép không đàn hồi. Cột dầu trước khi nén là h=1,5 m và mực thuỷ ngân nằm ở vị trí A-A. Sau khi nén, áp suất tăng từ 0 at lên 50 at, thì mực thuỷ ngân dịch chuyển lên một khoảng Δh=4 mm. Tính suất đàn hồi của dầu mỏ 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL d. Sức căng mặt ngồi:  CL cĩ khả năng chịu được ứng suất kéo khơng lớn tác dụng lên mặt tự do, phân chia CL với chất khí hoặc mặt tiếp xúc CL với chất rắn.  Sự xuất hiện sức căng mặt ngồi của CL là để cân bằng sức hút của CL tại vùng lân cận mặt tự do vì ở phần này sức hút giữa phân tử CL khơng cân bằng nhau như ở vùng xa mặt tự do → CL cĩ khuynh hướng giảm nhỏ diện tích mặt tự do 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL d. Sức căng mặt ngồi: → làm mặt tự do cĩ độ cong nhất định.  Sức căng mặt ngồi được biểu thị bằng hệ số σ – biểu thị sức kéo dính trên một đơn vị dài của đường tiếp xúc, phụ thuộc: nhiệt độ và bản chất của CL.  Trong đa số trường hợp thủy lực, khơng xét đến ảnh hưởng của sức căng mặt ngồi vì trị số nhỏ so với những lực khác. 7
8. 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL e. Tính nhớt:  Rất quan trọng → nguyên nhân gây tổn thất NL khi CL chuyển động.  Tính nhớt (υ) là biểu thị sức dính của các phân tử CL. Tính nhớt giảm khi tăng nhiệt độ.   = , 2 2  Trong đĩ: υ–độ nhớt động học (m /s hoặc cm /s (Stock); μ–độ nhớt động lực học; ρ–khối lượng riêng. 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL e. Tính nhớt:  1886, Newton đã đưa ra định luật ma sát: sức ma sát giữa các lớp CL chuyển động tỷ lệ thuận với diện tích tiếp xúc của các lớp ấy, khơng phụ thuộc vào áp lực mà phụ thuộc vào vận tốc và loại chất lỏng.  CL nào tuân theo định luật này gọi là chất lỏng Newton (CL thực). Mơn thủy lực nghiên cứu chất lỏng Newton. 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL f. Chất lỏng lý tưởng:  Là CL khơng cĩ tính nhớt (hồn tồn khồn cĩ ma sát trong chuyển động).  Khi nghiên cứu CL tĩnh: khơng cần phân biệt chất lỏng lý tưởng và CL thực.  Khi nghiên cứu CL chuyển động: từ chất lỏng lý tưởng sang CL thực cần tính thêm ảnh hưởng của sức ma sát trong (tính nhớt). 8
9. 1.5. Lực tác dụng a. Lực thể tích: (lực khối lượng)  Là lực tác dụng lên tất cả các phần tử trong khối chất lỏng đang xét.  Trong điều kiện phân bố điều của lực thể tích thì lực này tỷ lệ với thể tích của CL.  Trọng lượng, lực quán tính, là lực thể tích. 1.5. Lực tác dụng b. Lực mặt: (lực bề mặt)  Lực tác dụng lên mặt giới hạn khối chất lỏng đang xét.  Trong điều kiện phân phối điều, lực này tỷ lệ với diện tích.  Lực ma sát, áp lực khơng khí tác dụng lên mặt tự do của CL là lực mặt. 9