Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu ôn tập thủy lực đại cươngBơm thủy lực là một thiết bị sử dụng chuyển động quay từ động cơ hoặc motor điện để hút dầu thủy lực từ bồn chứa và đẩy chúng di chuyển trong mạch thủy lực dưới áp suất cao.Khi bơm được dẫn động với một PTO, thì bơm chỉ hoạt động khi PTO được kết nối.
T À I L I Ệ U Ô N T Ậ P T H U Ỷ L Ự C Đ Ạ I C ƢƠNG Th.S Nguyễn Minh Ngọc Bộ môn: Cấp Nƣớc HỆ VHVL 3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 6 1.1 Giới thiệu môn học 6 1.2 Một số tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng 6 CHƢƠNG I – THUỶ TĨNH HỌC 7 1.1 Áp suất thuỷ tĩnh 7 1.1.1 Khái niệm 7 1.1.2 Tính chất của áp suất thuỷ tĩnh 7 1.1.3 Mặt đẳng áp 7 1.1.4 Công thức tính áp suất 7 1.1.5 Phân loại áp suất và cách đo áp suất 7 1.1.6 Tĩnh tương đối của chất lỏng 8 1.2 Áp lực của chất lỏng lên thành phẳng 9 1.3 Áp lực của chất lỏng lên thành cong 10 1.3.1 Vật áp lực 10 1.3.2 Tính toán áp lực chất lỏng lên thành cong 10 1.4 Định luật Acsimet 11 CHƢƠNG II – ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LỎNG 12 2.1. Các yếu tố thuỷ động 12 2.2 Phân loại dòng chảy 12 2.2.1 Chuyển động ổn định và không ổn định 12 2.2.2 Dòng chảy không đều và đều 12 2.2.3 Dòng chảy có áp, không áp và dòng tia 13 2.2.4 Dòng chảy đổi dần và đổi đột ngột 13 2.3 Các yếu tố thuỷ lực của dòng chảy 13 T À I L I Ệ U Ô N T Ậ P T H U Ỷ L Ự C Đ Ạ I C ƢƠNG Th.S Nguyễn Minh Ngọc Bộ môn: Cấp Nƣớc HỆ VHVL 4 2.3.1 Mặt cắt ướt 13 2.3.2 Chu vi ướt 13 2.3.3 Bán kính thủy lực R 14 2.3.4 Lưu lượng 14 2.3.5 Lưu tốc trung bình 14 2.4 Phƣơng trình liên tục của dòng chảy 14 2.4.1 Phương trình liên tục của dòng nguyên tố 14 2.4.1 Phương trình liên tục của toàn dòng chảy 15 2.5 Phƣơng trình Becnuili đối với dòng chất lỏng thực chuyển động ổn định 15 2.6 Tổn thất dọc đƣờng 16 2.6.1 Chảy tầng và chảy rối 16 2.6.2 Công thức tính tổn thất dọc đường 17 2.6.3 Công thức xác định hệ số ma sát 17 2.6.4. Tiêu chuẩn phân biệt trạng thái chảy 18 2.7 Tổn thất cục bộ 18 2.7.1 Công thức tính tổn thất cục bộ 18 2.7.2 Các trường hợp tính tổn thất cục bộ 19 2.8 Phƣơng trình biến thiên động lƣợng 20 2.8.1 Định luật động lượng: 20 2.8.2 Các bước dùng phương trình động lượng để giải bài toán 20 CHƢƠNG III – DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH TRONG ỐNG CÓ ÁP VÀ KHÔNG ÁP 21 3.1 Khái niệm chung 21 3.2 Một số công thức tính toán thuỷ lực dòng chảy 21 3.2.1. Công thức Hazen-William 21 T À I L I Ệ U Ô N T Ậ P T H U Ỷ L Ự C Đ Ạ I C ƢƠNG Th.S Nguyễn Minh Ngọc Bộ môn: Cấp Nƣớc HỆ VHVL 5 3.2.2. Công thức Darcy-Vaysbach 21 3.2.3. Công thức Chezy-Manning 21 3.3 Tính toán thuỷ lực đƣờng ống dài có áp 22 3.3.1 Đường ống dài đơn giản 22 3.3.2 Đường ống chảy ổn định tháo nước liên tục 22 3.3.3 Đường ống nối song song 23 3.3.4 Đường ống mắc nối tiếp 23 3.3.5 Tính toán thuỷ lực mạng lưới cấp nước 23 3.4 Tính toán thuỷ lực dòng chảy ổn định đều không áp 24 3.4.1 Tính toán dòng chảy không áp trong đường ống 24 3.4.2 Tính toán thuỷ lực dòng chảy trong kênh hở 26 T À I L I Ệ U Ô N T Ậ P T H U Ỷ L Ự C Đ Ạ I C ƢƠNG Th.S Nguyễn Minh Ngọc Bộ môn: Cấp Nƣớc HỆ VHVL 6 MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu môn học Thuỷ lực học là một môn thuộc hệ thống các môn học của Cơ học chất lỏng ứng dụng. Môn học này đƣợc nghiên cứu sau khi đã học Vật lý; sức bền vật liệu; Cơ lý thuyết…trong Trƣờng đại học. Có thể hiểu Thuỷ lực là Khoa học nghiên cứu và ứng dụng các quy luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng – khí và các biện pháp ứng dụng những quy luật đó. 1.2 Một số tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng 1. Chất lỏng có khối lượng Biểu thị bằng Khối lƣợng riêng Ký hiệu: Đơn vị: kg/m 3 Khối lƣợng riêng trung bình đƣợc thể hiện bằng công thức: V M (1) Với: V là thể tích khối chất lỏng cần nghiên cứu. M: Khối lƣợng của thể tích chất lỏng V cần nghiên cứu. Nƣớc ở 4 o C có = 1000 kg/m 3 2. Chất lỏng có trọng lượng Biểu thị bằng Trọng lƣợng riêng Ký hiệu: Đơn vị: N/m 3 Công thức xác định trọng lƣợng riêng của chất lỏng: g. (2) Nƣớc ở 4 o C có = 9810 N/m 3 = 1000 kg/m 3 Khái niệm về tỷ trọng của chất lỏng: Đó là tỷ số giữa trọng lƣợng riêng của chất lỏng cần nghiên cứu với trọng lƣợng riêng của nƣớc. OH liquid liquid 2 (3) T À I L I Ệ U Ô N T Ậ P T H U Ỷ L Ự C Đ Ạ I C ƢƠNG Th.S Nguyễn Minh Ngọc Bộ môn: Cấp Nƣớc HỆ VHVL 7 a t p p < p p a p d a ck p CHƢƠNG I – THUỶ TĨNH HỌC 1.1 Áp suất thuỷ tĩnh 1.1.1 Khái niệm p p Lim 0 (1.1) Gọi p là áp suất thuỷ tĩnh tại 1 điểm (hay áp suất thuỷ tĩnh). Đơn vị áp suất thuỷ tĩnh: atmôtphe (at) hay N/m 2 . 1 st = 9810 N/m 2 = 1 kG/cm 2 1.1.2 Tính chất của áp suất thuỷ tĩnh a. Tính chất 1: Áp suất thuỷ tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu áp và hƣớng vào diện tích ấy. b. Tính chất 2 Áp suất thủy tĩnh tại mọi điểm bất kỳ trong chất lỏng bằng nhau theo mọi phƣơng. 1.1.3 Mặt đẳng áp + Mặt đẳng áp là mặt cong mà tại đó áp suất của các điểm đều bằng nhau. Đối với chất lỏng trọng lực đồng chất thì mặt đẳng áp là một phẳng nằm ngang. + Tính chất của mặt đẳng áp: - Hai mặt đẳng áp khác nhau thì không thể cắt nhau - Lực khối tác dụng lên mặt đẳng áp thì vuông góc với mặt đẳng áp 1.1.4 Công thức tính áp suất p = p o + h (1.2) Trong đó: p o : Áp suất trên bề mặt thoáng chất lỏng (N/m 2 ) h: Độ sâu của điểm tính áp suất so với mặt thoáng chất lỏng (m) 1.1.5 Phân loại áp suất và cách đo áp suất a. Phân loại áp suất * Áp suất tuyệt đối (Ký hiệu: p t ) Áp suất toàn phần tại một điểm trong khối chất lỏng. p t = p o + h (1.3) B o p h Hình 1.1 Áp suất tại 1 điểm trong chất lỏng Hình 1.2 Phân loại áp suất T À I L I Ệ U Ô N T Ậ P T H U Ỷ L Ự C Đ Ạ I C ƢƠNG Th.S Nguyễn Minh Ngọc Bộ môn: Cấp Nƣớc HỆ VHVL 8 * Áp suất dƣ (ký hiệu: p d ) Áp suất tại một điểm không kể đến áp suất khí quyển. p d = p t - p a (1.4) Nếu mặt thoáng tiếp xúc với khí trời thì p o = p a lúc đó: p d = h (1.5) * Áp suất chân không (ký hiệu : p ck ) Đó là độ thiếu hụt của áp suất tuyệt đối để bằng áp suất không khí p ck = p a - p t (1.6) * Áp suất không khí (p a ) là áp suất khí quyển ở điều kiện bình thƣờng đƣợc xác định bằng 1 at. 1.1.6 Tĩnh tương đối của chất lỏng Trong phần này ta nghiên cứu sự chuyển động của khối chất lỏng, giữa các phần tử chất lỏng không có chuyển động tƣơng đối với nhau, nhƣng khối chất lỏng lại có chuyển động tƣơng đối so với trái đất. Gọi trạng thái này là Trạng thái tĩnh tƣơng đối của chất lỏng. Hiện tƣợng này chỉ xuất hiện khi khối chất lỏng chuyển động (thẳng hoặc quay) với một gia tốc không đổi. Lực khối tác dụng vào chất lỏng ngoài trọng lực còn có lực quán tính. Ta nghiên cứu 2 trƣờng hợp: 1. Khi bình chứa chuyển động thẳng với gia tốc không đổi Ứng dụng thiết kế hệ thống Cacbuarator của bình nhiên liệu của động cơ và các ứng dụng tƣơng quan khác. 2. Khi bình trụ tròn quay đều quanh trục thẳng đứng, hệ tọa độ gắn với bình chứa. Ứng dụng trong đúc áp lực các chi tiết máy, ống bê tông hoặc ứng dụng trong kiểm cƣờng độ bê tông bằng máy quay li tâm H z o O p o z x y r g M 2 R r a. Bình chứa chuyển động thẳng b. Bình chứa quay quanh trục thẳng đứng Hình 1.3 Tĩnh tương đối của chất lỏng g j a h' N x x z p H h O o z o p T À I L I Ệ U Ô N T Ậ P T H U Ỷ L Ự C Đ Ạ I C ƢƠNG Th.S Nguyễn Minh Ngọc Bộ môn: Cấp Nƣớc HỆ VHVL 9 1.2 Áp lực của chất lỏng lên thành phẳng Trong trƣờng hợp thành rắn là mặt phẳng, thì áp lực tác dụng lên thành rắn theo hƣớng song song với nhau, do vậy ta có thể tổng hợp thành một áp lực tổng cộng. Xác định áp lực của chất lỏng tĩnh lên thành phẳng cần: - Xác định trị số: P - Xác định phƣơng, chiều của áp lực tổng cộng. - Xác định điểm đặt D của áp lực: h D hoặc z D a. Xác định trị số áp lực: P (N) P = (p o + .h C ) (1.7) Nhƣ vậy để tính áp lực cần biết: - Diện tích của tấm phẳng - Toạ độ của trọng tâm tấm phẳng b. Phương chiều của áp lực thuỷ tĩnh Áp lực thuỷ tĩnh: - Có phƣơng vuông góc với diện tích chịu lực - Có chiều tác dụng lực hƣớng cào diện tích chịu lực c. Điểm đặt Gọi D là điểm đặt lực (hay tâm áp lực). Nếu áp lực tuyệt đối gọi là tâm áp lực tuyệt đối; nếu là áp lực dƣ thì gọi là tâm áp lực dƣ. C 2 o CD h. sin.I hh (1.8) Khi tấm phẳng đặt thẳng đứng, thì góc = 90 o lực đó: z D = h D = C o C h. I h (1.9) Trong đó: I o : Mô men quán tính đi qua trọng tâm của diện tích chịu lực song song với b a a b R 12 a.b I 3 o 36 a.b I 3 o 4 R.π I 4 o Hình 1.5 Một số công thức tính toán mô men quán tính o p y z D C d hh C P z z C z D h D Hình 1.4 Sơ đồ tính áp lực chất lỏng lên thành phẳng T À I L I Ệ U Ô N T Ậ P T H U Ỷ L Ự C Đ Ạ I C ƢƠNG Th.S Nguyễn Minh Ngọc Bộ môn: Cấp Nƣớc HỆ VHVL 10 1.3 Áp lực của chất lỏng lên thành cong 1.3.1 Vật áp lực Khái niệm: Vật áp lực (W) của một mặt cong ngập trong chất lỏng là thể tích của hình trụ đứng có đáy dƣới là diện tích chịu lực , đáy trên là hình chiều của diện tích lên mặt thoáng chất lỏng (hoặc phần kéo dài của mặt thoáng). Vật áp lực mang dấu dƣơng (+) nếu ngay trên mặt chịu lực có chất lỏng Vật áp lực mang dấu âm (-) nếu ngay trên mặt chịu lực không có chất lỏng x y z O W MÆt tho¸ng z p B A Hình 1.6 Sơ đồ không gian Vật áp lực Hình 1.7 Sơ đồ tính toán vật áp lực Khi gặp mặt cong phức tạp, ta chia mặt cong phức tạp đó thành các mặt cong đơn giản, sau đó vẽ vật áp lực cho từng mặt cong đơn giản, rồi cộng các vật áp lực lại với nhau thì ta sẽ đƣợc vật áp lực cho mặt cong phức tạp. 1.3.2 Tính toán áp lực chất lỏng lên thành cong Xét một mặt trụ AB có đƣờng sinh dài l đặt nằm ngang. Đặt hệ trụ toạ độ Oxyz, trụ Oy song song với đƣờng sinh nămg ngang, mặt phẳng Oxy trùng với mặt thoáng, trụ Oz hƣớng xuống. x z O A B x d d d z P P x z x dP z dP dP o p Hình 1.8 Sơ đồ lực trong tính toán áp lực chất lỏng lên thành cong T À I L I Ệ U Ô N T Ậ P T H U Ỷ L Ự C Đ Ạ I C ƢƠNG Th.S Nguyễn Minh Ngọc Bộ môn: Cấp Nƣớc HỆ VHVL 11 Áp lực tác dụng lên mặt cong đƣợc phân thành 3 thành phần theo hệ trụ toạ độ zyx p;p;pp . Nên ta có: 2 z 2 y 2 x pppP (1.10) Vì trục Oy song song với đƣờng sinh nên P y = 0. Vậy: 2 z 2 x ppP (1.11) a. Xác định P x P x = .h cx . x (1.12) Với: h cx là trọng tâm diện tích hình chiếu x của mặt cong lên mặt vuông góc với trục Ox. b. Xác định P z P z = .W (1.13) Trong đó: W: Vật áp lực của mặt cong chịu lực AB 1.4 Định luật Acsimet Một vật ngập hoàn toàn hoặc từng phần trong chất lỏng chịu một lực đẩy từ dƣới lên theo phƣơng thẳng đứng, có trị số bằng trọng lƣợng thể tích chất lỏng bị vật chiếm chỗ, còn gọi là lực đẩy Acsimet (lực nâng). D P W z Hình 1.9 Sơ đồ lực đẩy Acsimet Phƣơng của lực Acsimet hƣớng lên thẳng đứng, lực Acsimet đặt tại điểm D, điểm D gọi là tâm đẩy. Công thức tính lực đẩy Acsimet: P z = .W (1.14) Trong đó: W: Thể tích của chất lỏng bị vật rắn chiếm chỗ : Trọng lƣợng riêng của chất lỏng T À I L I Ệ U Ô N T Ậ P T H U Ỷ L Ự C Đ Ạ I C ƢƠNG Th.S Nguyễn Minh Ngọc Bộ môn: Cấp Nƣớc HỆ VHVL 12 CHƢƠNG II – ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LỎNG 2.1. Các yếu tố thuỷ động Khi coi môi trƣờng chuyển động của chất lỏng là môi trƣờng liên tục, bao gồm vô sô phần tử chất lỏng vô cùng nhỏ chuyển động, mỗi phần tử chất lỏng đó đƣợc đặc trƣng bởi những đại lƣợng cơ bản của sự chuyển động. 1. Áp suất thuỷ động: p p = p (x; y; z; t) 2. Lưu tốc của phần tử chất lỏng: u u = u (x; y; z; t) 3. Gia tốc của phần tử chất lỏng: a a = a (x; y; z; t) 2.2 Phân loại dòng chảy 2.2.1 Chuyển động ổn định và không ổn định Chuyển động không ổn định (chuyển động không dừng) là chuyển động mà các yếu tố chuyển động phụ thuộc thời gian, tức là: u = u(x, y, z, t) p = p(x, y, z, t) Chuyển động ổn định (chuyển động dừng) là chuyển động mà các yếu tố chuyển động không phụ thuộc thời gian, tức là: u = u(x, y, z) p = p(x, y, z) 2.2.2 Dòng chảy không đều và đều Dòng chảy không đều là dòng chảy có các đƣờng dòng không phải là những đƣờng thẳng song song. Nhƣ vậy những dòng nguyên tố của dòng chảy không đều cũng không phải là thẳng song song. Dọc theo dòng chảy không đều, mặt cắt ƣớt, lƣu tốc điểm tƣơng ứng thay đổi. Thí dụ: Dòng chảy trong ống hình nón cụt, trong ống hình tròn tại chỗ uốn cong, trong máng có bề rộng thay đổi v.v Dòng chảy đều là dòng chảy có các đƣờng dòng là đƣờng thẳng song song; nhƣ vậy những dòng nguyên tố của dòng chảy đều là những đƣờng thẳng song song. Dọc theo dòng chảy đều, hình dạng, diện tích mặt cắt, sự phân bố lƣu tốc điểm tƣơng ứng nhƣ nhau, không đổi dọc theo dòng chảy. Thí dụ: dòng chảy đầy ống trong những ống thẳng v.v