›
›

Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 1: Những kiến thức cơ bản về thủy lực học - Nguyễn Công Tráng

pdf 58 trang huongle 2220
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 1: Những kiến thức cơ bản về thủy lực học - Nguyễn Công Tráng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_vat_ly_dai_cuong_chuong_1_nhung_kien_thuc_co_ban_v.pdf

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 1: Những kiến thức cơ bản về thủy lực học - Nguyễn Công Tráng

  1. LOGO Môn học: Quá trình và thiết bị cơ học Giáo viên: Quách An Bình Mail: quachanbinh@gmail.com Giới thiệu môn học 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 1
  2. Gv: Quách An Bình Tài liệu học tập  [1] Trường Đại học Công nghiệp, Quá trình và thiết bị cơ học, Khoa Công nghệ hóa học.  [2] Nguyễn Bin (2007), Tính toán quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, NXB Khoa học và kỹ thuật.  [3] Trần Hùng Dũng, Nguyễn Văn Lục, Vũ Bá Minh, Hoàng Văn Nam (2009), Các quá trình và thiết bị cơ học (tập1-quyển 2), NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. 10/21/2012 2
  3. Gv: Quách An Bình Chương 1. Những kiến thức cơ bản về thủy lực học 1.1. Tĩnh lực học chất lỏng 1.2. Động lực học chất lỏng 10/21/2012 3
  4. Gv: Quách An Bình 1.1. Tĩnh lực học chất lỏng 1.1.1. Những tính chất vật lý của chất lỏng 1.1.2. Phương trình cơ bản của tĩnh học chất lỏng 10/21/2012 4
  5. Gv: Quách An Bình 1.1.1. Những tính chất vật lý của chất lỏng 1.1.1.1. Khối lượng riêng 1.1.1.2. Thể tích riêng 1.1.1.3. Trọng lượng riêng 1.1.1.4. Tỷ trọng 1.1.1.5. Khối luợng riêng khí lý tưởng 1.1.1.6. Các loại áp suất 10/21/2012 5
  6. Gv: Quách An Bình 1.1.1.1. Khối lượng riêng Là khối lượng của 1 đơn vị thể tích lưu chất. Δm ρ= lim (kg/m3) ΔV 0 ΔV Trong đó: - ρ: khối lượng riêng lưu chất (kg/m3) - Δm: Khối lượng riêng của lưu chất trong thể tích ΔV. 10/21/2012 6
  7. Gv: Quách An Bình 1.1.1.2. Thể tích riêng Là thể tích của lưu chất trong một đơn vị khối lượng V = 1/ρ (m3/kg) 10/21/2012 7
  8. Gv: Quách An Bình 1.1.1.3. Trọng lượng riêng Là trọng lượng của một đơn vị thể tích P mg ɣ = = = ρ.g (N/m3) V V Trong đó: P: Trọng lượng của lưu chất, N. V: Thể tích lưu chất, m3. g: Gia tốc trọng trường, m/s2. m: Khối lượng của lưu chất 10/21/2012 8
  9. Gv: Quách An Bình 1.1.1.4. Tỷ trọng Là tỷ số giữa trọng lượng riêng chất lỏng so với trọng lượng riêng của nước. ɣd ρd.g ρd d = = = ρ ɣH2O ρH2O .g H2O 10/21/2012 9
  10. Gv: Quách An Bình 1.1.1.5. Khối lượng riêng khí lý tưởng Là khối lượng của một đơn vị thể tích khối khí. Phương trình trạng thái. m PM PV = nRT hay ρ = = (kg/m3) V RT Trong đó: P: Áp suất khối không khí tác động lên thành bình (at). R: Hằng số khí lý tưởng V: Thể tích khối khí (lít). 10/21/2012 10
  11. Gv: Quách An Bình 1.1.1.6. Các loại áp suất Áp suất là đại lượng vật lý biểu thị lực tác dụng lên một đơn vị diện tích. Nếu lực tác dụng được phân bố đều trên diện tích bề mặt thì áp suất được tính theo công thức: F P = (N/m2) S F: Lực tác dụng (N) S: diện tích bề mặt chịu lực (m2) 10/21/2012 11
  12. Gv: Quách An Bình 1.1.1.6. Các loại áp suất Trong kỹ thuật người ta phân biệt các loại áp suất sau:  Áp suất khí quyển: bằng 0 nếu tính theo áp suất dư hoặc áp suất chân không, bằng 1 at nếu tính theo áp suất tuyệt đối.  Áp suất dư: là áp suất so với áp suất khí quyển và có trị số nhỏ hơn áp suất khí quyển.  Áp suất tuyệt đối: là áp lực toàn phần tác động lên bề mặt chịu lực. Áp suất tuyệt đối luôn có giá trị lớn hơn hoặc bằng 0. 10/21/2012 12
  13. Gv: Quách An Bình 1.1.1.6. Các loại áp suất Pdư Pkq = 0 (Theo áp P = 0 chân không) kq P (Theo áp ck P tđ suất dư) Pkq = 1 Pkq = 1 (Theo áp (Theo áp Ptđ tuyệt đối) tuyệt đối) Ptđ = 0 Ptđ = 0 Biểu diễn áp suất dư Biểu diễn áp suất chân không 10/21/2012 13
  14. Gv: Quách An Bình 1.1.1.6. Các loại áp suất 1 atm (vật lý) = 760 mmHg = 10,33 2 mH2O = 1,033 kg/cm . 1 at (kỹ thuật) = 735,5 mmHg = 10 mH2O = 1,0 kg/cm2 = 14,22 Psi = 1 bar = 9,81.104 N/m2= 9,81.104 pa. 10/21/2012 14
  15. Gv: Quách An Bình 1.1.2. Phương trình cơ bản của tĩnh lực học chất lỏng 1 Áp suất thủy tĩnh 2 Phương trình cơ bản của tĩnh lực học chất lỏng 3 Áp lực của chất lỏng lên đáy và thành bình 10/21/2012 15
  16. Gv: Quách An Bình 1.1.2.1. Áp suất thủy tĩnh W: diện tích chịu tác dụng lực P: áp lực thủy tĩnh tác dụng lên diện tích w p= P/w: áp suất thủy tĩnh trung bình trên diện tích 10/21/2012 16
  17. 1.1.2.2. Phương trình cơ bản của Gv: Quách An Bình tĩnh lực học chất lỏng P Z + = const ρ.g Công thức đế xác định áp suất thủy tĩnh trong khối chất lỏng tại các điểm khác nhau. 10/21/2012 17
  18. Gv: Quách An Bình 2.3. Ứng dụng của phương trình cơ bản tĩnh học chất lỏng 1 Định luật pascal 2 Sự cân bằng chất lỏng trong bình thông nhau 3 Áp lực của chất lỏng lên đáy và thành bình 10/21/2012 18
  19. Gv: Quách An Bình 2.3.1. Định luật pascal Áp suất trong bình tại điểm A: P P0 0 P + Δp Pa = P0 + ρgh 0 Nếu ta tăng áp suất tại mặt thoáng lên Δp thì áp suất tại điểm A đó là h h P = (P + Δp) + ρgh II 0 A A Vậy tại A áp suất tăng là: PII – Pa = Δp 10/21/2012 19
  20. Gv: Quách An Bình 2.3.1. Định luật pascal Độ biến thiên của áp suất thủy tĩnh trên mặt giới hạn của một thể tích chất lỏng cho trước được truyền đi nguyên vẹn đến mọi điểm của thể tích chất lỏng đó. 10/21/2012 20
  21. Gv: Quách An Bình 2.3.2. Sự cân bằng chất lỏng trong bình thông nhau Trường hợp 1:  Một chất lỏng thông nhau ở hai bình kín có mức chênh lệch mặt thoáng trong các bình tỷ lệ thuận với mức chênh lệch áp suất trong các bình đó. p A 01 Ở bình A: P1 = P01 + ρgh1(z1) B p02 Ở bình B: P2 = P02 + ρgh2(z2) z1 z2 O p1 p2 O 10/21/2012 21
  22. Gv: Quách An Bình 2.3.2. Sự cân bằng chất lỏng trong bình thông nhau Trường hợp 2: Nếu áp suất trên 2 bề mặt chất lỏng bằng nhau thì z1 = z2 như vậy mức chất lỏng trong các bình nằm trên cùng mặt phẳng. 10/21/2012 22
  23. 2.3.2. Sự cân bằng chất lỏng Gv: Quách An Bình trong bình thông nhau Trường hợp 3: Một bình kín có P01 > pa là áp suất khí quyển, còn bình kín để hở có áp suất p02 = pa thì độ chênh lệch chiều cao chất lỏng trong hai bình bằng chiều cao pazomet ứng với áp suất dư. 10/21/2012 23
  24. 2.3.3. Áp lực của chất lỏng Gv: Quách An Bình lên đáy và thành bình Áp suất trên thành bình thay đổi theo chiều sâu của chất lỏng chứa trong bình và được tính theo công thức PA = P0 + ρ.g.h P0 hA A 10/21/2012 24
  25. Gv: Quách An Bình 1.2. Động lực học chất lỏng 1.2.1. Những khái niệm 1.2.2. Chế độ chuyển động của chất lỏng 1.2.3. Phương trình dòng liên tục 1.2.4. Phương trình Bernulli 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli 1.2.6. Trở lực trong ống dẫn chất lỏng 10/21/2012 25
  26. Gv: Quách An Bình 1.2.1. Những khái niệm 1 Lưu lượng và vận tốc chuyển động của chất lỏng 2 Độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt 10/21/2012 26
  27. 1.2.1.1 Lưu lượng và vận Gv: Quách An Bình tốc chuyển động của chất lỏng Lưu lượng là lượng lưu chất chuyển động qua một tiết diện ngang của lưu chất trong một đơn vị thời gian. Q = V/t (m3/s) ; Q = F.w (m3/s) πD2 Qv = F.w = . w (m3/s) 4 10/21/2012 27
  28. Gv: Quách An Bình 1.2.1.2. Độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng lên độ nhớt Độ nhớt: khi chất lỏng thực chuyển động sẽ xảy ra quá trình trượt giữa các lớp chất lỏng vì có lực ma sát nội. Lực ma sát này ra sức cản trở chuyển động của các phần tử chất lỏng. Click xem video 1 10/21/2012 28
  29. 1.2.1.2. Độ nhớt và các yếu Gv: Quách An Bình tố ảnh hưởng lên độ nhớt µ (Ns/m2): độ nhớt Độ nhớt được tính bằng lực có giá trị là 1 N làm chuyển động hai lớp chất lỏng có diện tích tiếp xúc là 1 m2 cách nhau 1 m với vận tốc 1m/s. 1 Ns/m2 = 1 kg/ms = 10P(poa) = 1000cP (centipoa). 10/21/2012 29
  30. 1.2.1.2. Độ nhớt và các yếu tố Gv: Quách An Bình ảnh hưởng lên độ nhớt Khi nhiệt độ tăng: Với chất lỏng thì độ nhớt giảm. Với chất khí thì độ nhớt tăng. Với áp suất: Độ nhớt chỉ biến đổi khi chịu áp suất ở áp suất cao, áp suất nhỏ ít biến đổi. 10/21/2012 30
  31. Gv: Quách An Bình 1.2.1.2. Độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng lên độ nhớt 10/21/2012 31
  32. 1.2.2. Chế độ chuyển động Gv: Quách An Bình của chất lỏng 10/21/2012 32
  33. Gv: Quách An Bình 1.2.2. Chế độ chuyển động của chất lỏng Click xem video 1 10/21/2012 33
  34. 1.2.2. Chế độ chuyển động Gv: Quách An Bình của chất lỏng Lưu chất chảy tầng: Re 10.000 10/21/2012 34
  35. 1.2.2. Chế độ chuyển động Gv: Quách An Bình của chất lỏng ρ.w.d w.d Re = td = td µ v Trong đó: ρ: khối lượng riêng của lưu chất (kg/m3) µ: Độ nhớt động lực học lưu chất (kg/ms) v: độ nhớt động học (m2/s) w: vận tốc dòng lưu chất (m/s) Ddt: đường kính tương đương (m) 10/21/2012 35
  36. Gv: Quách An Bình 1.2.3. Phương trình dòng liên tục Chất lỏng chảy trong ống thỏa mãn các điều kiện sau: Không bị rò rỉ qua thành ống hay chỗ nối. Có P và to không đổi. Chất lỏng không bị đứt đoạn và không có bọt khí. 10/21/2012 36
  37. Gv: Quách An Bình 1.2.3. Phương trình dòng liên tục 1 2 3 1 2 3 Ta có Q1 = Q2 = Q3. Hay f1w1 = f2w2 = f3w3 10/21/2012 37
  38. Gv: Quách An Bình 1.2.3. Phương trình dòng liên tục 2 1 2 3 1 3 Ta có Q1 = Q2 + Q3 Hay f1w1 = f2w2 + f3w3 10/21/2012 38
  39. Gv: Quách An Bình 1.2.4. Phương trình Bernulli Với lưu chất lý tưởng: không có ma sát P w2 Z + + = const ρ.g 2.g Z: chiều cao hình học đặc trưng P/ρg: Đặc trưng cho áp suất thủy tinh W2/2g: Đặc trưng cho áp suất động 10/21/2012 39
  40. Gv: Quách An Bình 1.2.4. Phương trình Bernulli Lưu chất thực: z 0 1 2 3 0 0 1 y 2 x 3 10/21/2012 40
  41. Gv: Quách An Bình 1.2.4. Phương trình Bernulli Đối với chất lỏng thực do giữa các phân tử có lực tương tác vì vậy khi chuyển động trong ống phải tiêu hao một phần năng lượng để thắng lực đường ống. 2 2 P1 w 1 P2 w 2 Z1+ + + hm1= Z2+ + + hm2 ρ.g 2.g ρ.g 2.g 10/21/2012 41
  42. Gv: Quách An Bình 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli 2 PTP = Ptĩnh + Pđộng = P/ρg + v /2g (m) 10/21/2012 42
  43. Gv: Quách An Bình 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli w Sự chảy chất lỏng qua lỗ 1 1 Pkq 1 - Có Z1 = H 2 - W1= 0 w 0 - hm = 0 Suy ra H= 1 2.g - Z0 = 0 0 0 - hm(1÷0) = 0 w0 2 2 P1 w 1 P2 w 2 Z1+ = + hm1= Z2+ = + hm2 ρ.g 2.g ρ.g 2.g 10/21/2012 43
  44. Gv: Quách An Bình 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli w 1 1 Pkq 1 H Đường kính D H1 H Đường kính d 2 D: Đường kính của thùng 0 0 d: đường kính của lỗ w0 f: tiết diện ngang thùng f0: tiết diện ngang lỗ µ: hệ số lưu lượng 10/21/2012 44
  45. Gv: Quách An Bình 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli Trường hợp hai: chỉ tháo 1 phần nước w 1 1 Pkq 1 H Đường kính D H1 Đường kính d H2 0 0 w0 10/21/2012 45
  46. Gv: Quách An Bình 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli Ví dụ: Một bồn chứa dầu có D = 20m, cao 25 m biết dầu chứa trong bồn có chiều cao là 25m, ρ = 820 kg/m3. Ở đáy lỗ có d = 20cm. Hãy tính thời gian để tháo hết một lượng dầu là 1200 tấn. Cho hệ số lưu lượng µ= 0.62. 10/21/2012 46
  47. Gv: Quách An Bình 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli  Áp dụng công thức: 3  V tháo = m/ ρ = 1,200,000/820 = 1463 m  Tiết diện F = Π.D2/4 = 3,14. 202/4 = 314 m2 3  V tháo = F. H tháo = 314 . H tháo = 1463 m  Suy ra H tháo = 1463/314 = 4,65 m.  H2 = H - H tháo = 25 – 4,65 = 20,35 m  Suy ra 10/21/2012 47
  48. Gv: Quách An Bình 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli 10/21/2012 48
  49. Gv: Quách An Bình 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli Màng chắn và Venturi Là hai dụng cụ dùng để đo lưu lượng dựa vào nguyên tắc khi dòng lưu chất qua tiết diện 10/21/2012 49
  50. Gv: Quách An Bình 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli 10/21/2012 50
  51. Gv: Quách An Bình 1.2.6. Trở lực đường ống Khi chất lỏng chuyển động trong đường ống nó phải tiêu hao một phần năng lượng, năng luợng này để thắng trở lực ma sát và trở lực cục bộ. Trở lực ma sát Trở lực cục bộ 10/21/2012 51
  52. Gv: Quách An Bình 1.2.6.1. Trở lực ma sát (Hms) Là năng lượng tiêu hao để thắng trở lực ma sát giữa chất lỏng với thành ống, bề mặt nhám. 훌: hệ số ma sát phụ thuộc vào bề nhám chất lỏng L: chiều dài ống dẫn (m) D: đường kính chất lỏng 10/21/2012 52
  53. Gv: Quách An Bình 1.2.6.2. Trở lực cục bột (Hcb) Là năng lượng tiêu hao để thắng trở lực đường ống tại những điểm đột thu, đột mở và tại các vị trí có thay đổi chiều chuyển động của dòng chảy. 10/21/2012 53
  54. Gv: Quách An Bình 1.2.6.2. Trở lực cục bột (Hcb) 2 (휉van + 휉thu + 휉mở + 2휉khuỷu ).w /2g 10/21/2012 54
  55. Gv: Quách An Bình 1.2.6.2. Trở lực cục bột (Hcb)  Một đường ống vận chuyển chất lỏng có d = 4000m, đường kính ống 0.5m, lưu lượng chất lỏng trong đường ống là 3000m3/h. Biết tổng trở lực đường ống là 10m H2O. Hãy xác định áp lực của chất lỏng tại đầu ống. Biết vận chuyển chất lỏng lên một độ cao là h2 = 45m. 10/21/2012 55
  56. Gv: Quách An Bình 1.2.6.2. Trở lực cục bột (Hcb)  Áp dụng công thức:  Có d = const suy ra W1 = W2  Tính theo mặt phẳng 0-0 thì Z1 = 0 và P2 là áp suất khí quyển nên không tính vào phương trình, phương trình được viết như sau:  P1/ρg = Z2 + H (1÷2) Suy ra P1 = (Z2 + H (1÷2)). ρg 4  Suy ra P1 = (45+ 10).1000.9,81/9,81.10 = 5.5 at. 10/21/2012 56
  57. Gv: Quách An Bình 1.2.6.2. Trở lực cục bột (Hcb) 10/21/2012 57
  58. LOGO Add your company slogan 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 58