Thông tin tài liệu
1/22/16 THUỶ LỰC MƠI TRƯỜNG CÁC HIỆN TƯỢNG THUỶ ĐỘNG LỰC 01.2016 NỘI DUNG Lưu chất Tĩnh lực học chất lỏng Động lực học chất lỏng Bài tập 1/22/16 LƯU CHẤT Lưu chất là gì? Khái niệm lưu chất ! Có hình dạng khơng phụ thuộc vật chứa ! Lực liên kết giữa các phân tử nhỏ LƯU CHẤT ! Mơi trường liên tục ! Khơng chịu tác dụng của lực cắt, kéo ! Lưu chất chảy (khơng giữ được trạng thái ban đầu) ! Dưới tác dụng của lực kéo 1/22/16 Khái niệm lưu chất ! Trong học chất lỏng, chất khí hệ chất điểm xem là lưu chất ! Các tính chất của lưu chất Newton: ! Tính chảy (khi có chênh lệch áp suất) Đại lượng đặc trưng về sức cản khi chảy là độ nhớt ! Tính nén ép: đối với chất lỏng hệ số nén ép rất bé, đối với chất khí hệ số nén ép lớn hơn nhiều ! Độ bền đứt của lưu chất: xem như bằng khơng ! Tính mao dẫn Các đại lượng đặc trưng cho lưu chất Trọng lượng Thay đổi thể tích Khối lượng Lưu chất Tính nhớt Sức căng mặt ngồi 1/22/16 Các đại lượng đặc trưng cho lưu chất ρ, kg/m3 Nước Khơng khí Thuỷ ngân 1000 1,228 13,6.103 12,07 133.103 Trọng lượng 9,81.103 riêng, N/m3 Các đại lượng đặc trưng cho lưu chất Thay đổi thể tích • Hệ số nén β • Suất đàn hồi K (N/m2); • Đối với chất khí, xem như là khí lý tưởng Trong trường hợp khí nén đẳng nhiệt • Đối với chất lỏng 1/22/16 Các đại lượng đặc trưng cho lưu chất Ví dụ 1 Nồi áp lực gồm phần trụ tròn có đường kính d = 1000mm, dài l = 2m; đáy nắp có dạng bán cầu Nồi chứa đầy nước với áp suất p0 Xác đònh thể tích nước cần nén thêm vào nồi để tăng áp suất nồi từ p0 = đến p1 = 1000 at Biết hệ số nén nước βp = 4,112.10-5 cm2/kgf = 4,19.10-10 m2/N Xem bình không giản nở nén Ví dụ Dầu mỏ nén xi lanh thép thành dày tiết diện hình vẽ Xem thép không đàn hồi Cột dầu trước nén h = 1,5 m mực thuỷ ngân nằm vò trí A-A Sau nén, áp suất tăng từ at lên 50 at, mực thuỷ ngân dòch chuyển lên khoảng Δh = mm Tính suất đàn hồi dầu mỏ 1/22/16 Độ nhớt ! Khi chất lỏng thực chuyển động sẽ xảy ra q trình trượt giữa các lớp chất lỏng vì có lực ma sát nội ! Lực ma sát này gây ra sức cản của chất lỏng đối với chuyển động tương đối phần tử chất lỏng Tính chất chất lỏng gọi là độ nhớt Độ nhớt Theo định nghĩa của Newton về lực ma sát bên trong của chất lỏng theo chiều dọc thì: ! Tỷ lệ thuận với gradien vận tốc d/dn ! Tỷ lệ thuận với bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp ! Khơng phụ thuộc vào áp suất mà chỉ phụ thuộc vào tính chất vật lí chất lỏng do đó phụ thuộc vào nhiệt độ Trong đó: Fms = µA dω dn Fms – lực ma sát bên trong chất lỏng, N A – diện tích mặt tiếp xúc giữa các lớp chất lỏng, m2 d/dn – gradien vận tốc µ -‐ hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, gọi là độ nhớt động lực 1/22/16 Độ nhớt ! Độ nhớt động lực 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 1 m/s µ= Fms dv A dn ! Ngồi đơn vị độ nhớt động lực tính theo: kg/ms, P (poa), cP (centipoa) Chúng có mối quan hệ như sau: Ns/m2 = 1 kg/ms = 10 P = 1000 cP ! Nếu lập tỷ số giữa độ nhớt động lực học và khối lượng riêng của chất lỏng ta được giá trị gọi làđộ nhớt động học, kí hiệu = µ/, m2/s St (stoke) = 1 cm2/s Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến độ nhớt ! Vì độ nhớt phụ thuộc vào lực ma sát phân tử chất lỏng chuyển động nên phụ thuộc vào cấu tạo và sự phân bố giữa các phân tử Do đó sự thay đổi nhiệt độ và áp suất có ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhớt 1/22/16 Các đại lượng đặc trưng cho lưu chất Tính nhớt: • Hệ số động học μ (Pa.s = 10 poise) • Hệ số động lực học ν (m2/s; stoke = 1 cm2/s) Các đại lượng đặc trưng cho lưu chất 1/22/16 Lực tác dụng Lực tác dụng Lực thể tích Trở lưc cục bộ: ! Còn gọi là lực khối lượng) là ! Lực mặt lực tác dụng lên lực tác dụng lên tất phần mặt giới hạn khối chất lỏng tử khối chất lỏng xét lên mặt đất xét khối chất lỏng ! Trong điều kiện phân bố đều ! Trong điều kiện phân phối lực thể tích, lực tỉ lệ các lực mặt thì lực này tỉ với thể tích của vật thể lỏng lệ với diện tích Lực tác dụng 1/22/16 Sức căng bề mặt và hiện tượng mao dẫn Áp suất hơi và áp suất hơi bảo hồ Là áp suất bề mặt chất lỏng kín Khi tốc độ bốc phân tử lưu chất tốc độ ngưng tụ bề mặt lưu chất đạt tới áp suất bão hoà 10 4/2/16 KHÁI NIỆM CHUNG ! Nếu mực nước có độ sâu tăng dần gọi đường nước dâng: dl/dh > 0 ! Nếu mực nước có độ sâu giảm dần gọi đường nước hạ: dl/dh< 0 ! Nếu mực nước có độ sâu khơng đổi gọi là dòng đều: dl/dh = 0 ĐẶT (1) (2) KHÁI NIỆM CHUNG Từ (1) ta có 3 trường hợp xảy ra: ! Khi h = h0 thì i = J; nên TS = 0 ! Khi h > h0 thì i > J; nên TS > 0 ! Khi h < h0 thì i < J; nên TS < 0 Từ (2) cũng có 3 trường hợp xảy ra: ! Khi h = hk thì Fr = 1; nên MS = 0 ! Khi h > hk thì Fr < 1; nên MS > 0 ! Khi h < hk thì Fr > 1; nên MS< 0 Như vậy rõ ràng ta thấy đường mực nước phụ thuộc vào h0, hk, h (dòng khơng đều) Để tiện nghiên cứu ta vẽ mặt cắt dọc kênh, có đường N -‐ N ứng với dòng đều, K -‐ K ứng với độ sâu phân giới Như vậy ta có thể chia làm 3 khu a, b, c 10 4/2/16 Cách xác định các dạng đường mặt nước Đối với kênh độ dốc thuận: i > 0 ! Trường hợp 1: i < ik nên h0 > hk Cách xác định các dạng đường mặt nước Đối với kênh độ dốc thuận: i > 0 ! Trường hợp 1: i < ik nên h0 > hk Dạng đường nước trong trường hợp 1 11 4/2/16 Cách xác định các dạng đường mặt nước Đối với kênh độ dốc thuận: i > 0 ! Trường hợp 2: i > ik nên h0 < hk : Tương tự như trường hợp 1, ta có bảng xét dấu của dl/dh là sự biến thiên các dạng đường mực nước Cách xác định các dạng đường mặt nước Đối với kênh độ dốc thuận: i > 0 ! Trường hợp 2: i > ik nên h0 < hk Dạng đường nước trong trường hợp 2 12 4/2/16 Cách xác định các dạng đường mặt nước Đối với kênh độ dốc thuận: i > 0 ! Trường hợp 3: i = ik nên h0 = hk Tương tự như hai trường hợp, nhưng đặc biệt là h0 = hk, nên khơng có khu b, ta cũng lập bảng xét dấu của dldh xem sự biến thiên các dạng đường mực nước Cách xác định các dạng đường mặt nước Đối với kênh độ dốc thuận: i > 0 ! Trường hợp 3: i = ik nên h0 = hk Dạng đường nước trong trường hợp 3 13 4/2/16 Cách xác định các dạng đường mặt nước Đối với kênh độ dốc bằng: i = 0 ! Lúc i = 0, khơng có chảy nên khơng tồn dòng chảy (khơng có h0), chỉ còn lại hai khu b và c Do đó dòng chảy được là do ngun nhân khác chứ khơng phải do tác dụng của trọng lực Cách xác định các dạng đường mặt nước Đối với kênh độ dốc bằng: i = 0 Dạng đường nước đối với kênh có i = 0 14 4/2/16 Cách xác định các dạng đường mặt nước Kênh dốc nghịch: i < 0 ! Cũng như i = 0, ở đây khơng có đơ sâu chảy đều, do đó chỉ có 2 khu b c Dạng đường nước đối với kênh có i < 0 Cách xác định các dạng đường mặt nước ! Trong 12 loại đường mực nước, có 6 đường aI, bI, cI, aII, bII , cII cơ nhất, 6 đường còn lại có thể suy từ 6 đường kia 15 4/2/16 Cách xác định các dạng đường mặt nước Qua dạng đường mực nước, ta có thể rút kết luận: ! Ở khu a và c chỉ có thể là đường nước dâng ! Ở khu b chỉ có thể là đường nước hạ ! Đường mực nước có thể tiến tới tiệm cận với đường N-‐ N hoặc đường nằm ngang chứ khơng bao giờ tiệm cận với đường K-‐ K ! Đường mặt nước có xu thế cắt đường K-‐K chứ khơng bao có xu cắt đường N-‐N Khi qua đường K-‐K đường mặt nước mất liên tục hoặc đổ trút DỰNG ĐƯỜNG MẶT NƯỚC BẰNG PP SAI PHÂN HỮU HẠN Chapter 16 4/2/16 DỰNG ĐƯỜNG MẶT NƯỚC BẰNG PP SAI PHÂN HỮU HẠN ! Chia đoạn kênh thành nhiều đoạn ! Xét đoạn kênh m nằm giữa 2 mặt cắt m và m+1 ! Phương trình bernoulli cho đoạn này: i.Δlm + hm + αVm2/2g = hm+1 + αVm+12/2g + Δhm ! Tổn thất cột áp được tính Δhm = J.Δlm hj + αVj2/2g = E0j ! Thay vào PT bernoulli: (i-‐J).Δlm + E0m = E0m+1 ! Trong trường hợp kênh lăng trụ, biểu thức trên đưa đến cơng thức: Δlm = (E0m+1 -‐ E0m)/(i-‐J) DỰNG ĐƯỜNG MẶT NƯỚC BẰNG PP SAI PHÂN HỮU HẠN 17 4/2/16 DỊNG KHƠNG ĐỀU CĨ NHẬP LƯU Chapter PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ! Xét kênh có nhập lưu dọc chiều dài với lưu lượng q’ ! Lưu lượng đổ vào kênh với vận tốc V hợp với trục kênh 1 góc α ! Xét 1 đoạn kênh chiều dài ds với các ngoại lực như hình 18 4/2/16 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ! Phương trình biến thiên động lượng Gs + P1 – P2 – T = K2 – K1 – Kq Trong đó: ! K1, K2 và Kq : Động lượng đi vào và đi ra khỏi đoạn kênh qua mặt cắt thượng, hạ lưu và động lượng đi vào theo lưu lượng nhập lưu ! Kq = ρq’.V.cosα.ds = ρq’.Vq.ds PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ! P1, P2 và T: Áp lực trên 2 mặt cắt thượng hạ lưu, trọng lực trên phương trục kênh và lực ma sát đáy kênh Gs = γi.A.ds T = τ0.P.ds = γ.A.J.ds ! Thay vào phương trình biến thiên động lượng rút ra: 19 4/2/16 GIẢI PT VI PHÂN BẰNG PP SAI PHÂN HỮU HẠN Bài tập Chapter 20 BÀI TẬP THUỶ LỰC MƠI TRƯỜNG PHẦN THUỶ TỈNH BÀI 1: Một hệ thống hình vẽ, biết mực nước M N cách đoạn H = 25 cm a Xác đònh áp suất tuyệt đối khí bình độ chênh lệch thủy ngân h b Nếu mực nước M N ngang (H = 0), áp suất tuyệt đối khí bình độ chênh lệch thủy ngân h Cho tỉ trọng thủy ngân δ = 13,6 BÀI 2: Để xác định áp suất dư tâm ống dẫn nước thải, người ta lắp ống đo áp hình vẽ Biết z0 = 0; z1 = 1,2m; z2 = 4,2m; z3 = 1,7m; z4 = 3,8m; trọng lượng riêng nước 9.810N/m3; thủy ngân 132.890N/m3; dầu hỏa 8.142N/m3 BÀI 3: Một thùng chứa có tiết diện lớn chứa nước đến độ sâu H Cách đáy thùng đoạn h = 0,7m người ta gắn ống nghiệm chữ U như hình vẽ, bên chứa thủy ngân (tỷ trọng 13,6) có mặt thống thủy ngân ngang với vị trí gắn ống nghiệm có độ chênh lệch thủy ngân ống L = 8cm a Xác định độ sâu H của nước thùng b Để mực thủy ngân ống ngang nhau, (L = 0) người ta tác động áp suất po trên mặt thống thủy ngân Cho độ sâu nước H thùng khơng thay đổi, xác định P0 BÀI 4: Một bình kín chứa dầu (có tỉ trọng δ = 0,8) nước hình vẽ Biết áp suất dư khí bình đo p = kPa, chiều cao đọan H1 = 1,5 m, H2 = H3 = 0,5 m Xác đònh chiều cao cột nước h1 dầu h2 BÀI 5: Một áp kế đo chênh thủy ngân, nối với bình đựng nước a Xác định độ chênh mực nước thủy ngân, h1 = 130mm áp suất dư mặt nước bình 40.000 N/m2 b Áp suất bình thay đổi mực thủy ngân hai nhánh (h = ½.h2, γthủyngân = 133.416 N/m3) BÀI 7: Một cửa van hình thang cân dùng để chắn chất lỏng hình vẽ Van có chiền cao H = 27 m, đáy lớn D = 24 m, đáy nhỏ d = 16m p suất dư đo A B pA = 100 Kpa pB = 140 Kpa a Xác đònh trọng lượng riêng chất lỏng b Tìm giá trò áp lực chất lỏng tác dụng lên cửa van BÀI 8: Một tường chắn phẳng thẳng nghiêng góc α so với mặt nằm ngang, có bề rộng tường b (xem hình) Xác định áp lực nước tác dụng lên tường vẽ giản đồ phân bố áp lực Biết chiều sâu mực nước trước chắn h = 3m; b = 1,5m; α = 450 BÀI 9: Van hình thang có chiều cao 1m, cạnh đáy lớn 2m, đáy nhỏ 1,2 m (đáy lớn phía trên, đáy nhỏ phía dưới) giữ nước cho bình chứa Bên phải van khí kín có áp suất phân bố Van quay quanh trục nằm ngang qua A a Tìm lực nước tác dụng lên van vò trí điểm đặt lực b Tìm áp suất khí cho van trạng thái cân hình vẽ BÀI 10: Xác định trị số điểm đặt áp lực nước lên chắn hình chữ nhật phẳng, đặt thẳng đứng hình vẽ Biết chiều sâu mực nước trước chắn (thượng lưu) h1 = 2,4m, sau chắn (hạ lưu) h2 = 1,1m; chắn có bề rộng b = 1,0m BÀI 11: Một chắn ngang kênh đặt nghiêng góc α hình vẽ Xác định áp lực nước tác dụng lên chắn Biết: h1 = 1,5m; h2 = 0,5m; chắn rộng b = 0,8m; α = 600; γ = 9.810N/m3 BÀI 12: Một nắp đậy có tiết diện hình tròn đường kính D = 0,5 m nối với bình chứa nước hình Bình có chiều cao h = 1,5m, mặt thoáng tiếp xúc với khí trời a) Tìm áp suất dư trọng tâm nắp b) Tính áp lực nước tác dụng lên nắp c) Xác đònh điểm đặt lực [...]... ỨNG DỤNG PHƯƠNG TRÌNH BERNULLI Màng chắn và Ventury Hình: Tiết lưu qua ventury Trở lực ! Trở lực ma sát ! Trở lực cục bộ 32 1/22/16 Trở lực Trở lực Trở lưc cục bộ: Trở lực ma sát: ! Là trở lực do chất lỏng thay ! Là trở lực do chất lỏng đổi hướng chuyển động, thay chuyển động ma sát với đổi ... Tỉnh học chất lỏng 1 2 Áp suất thủy tỉnh PT cơ bản 3 Ứng dụng PT cơ bản 12 1/22/16 Áp suất thủy tỉnh ! Khối chất lỏng ở trạng thái tĩnh chịu hai lực tác dụng: lực khối lượng và lực bề mặt ! Xét một ngun tố F trong chất lỏng, thì bề mặt ngun tố đó sẽ chịu một áp lực của cột chất lỏng chứa nó... 1 lực G1, chất lỏng trong bơm chịu áp lực P1 bằng P1 = G1 f1 17 1/22/16 Định luật Pascal ! Theo định luật pascal, áp lực P1 truyền qua chất lỏng sang pittơng 3 của máy ép có tiết diện f2 và tạo ra ở đó một lực G2 bằng: G2 = P2 .f2 hay P2 = G2/f2 Như vậy, P1 = P2 tức: ! Ta thấy tỷ lệ f2/f1 càng lớn thì lực G2... tích bề mặt phẳng ! C: trọng tâm bề mặt ! D: Tâm áp lực dư (điểm đặt của áp lực dư) ! Ixx’: moment qn tính của diện tích A đối với truc đi ngang qua trọng tâm Áp lực thuỷ tỉnh tác dụng lên thành phẳng 20 1/22/16 Áp lực thuỷ tỉnh tác dụng lên thành phẳng ĐỘNG LỰC HỌC CỦA LƯU CHẤT NC các qui luật về chuyển động của chất... là P theo phương pháp tuyến Khi đó áp suất thủy tĩnh sẽ là: Pt = lim ΔF →0 ΔP ΔF Đơn vị Áp suất thủy tỉnh ! Áp lực có đơn vị là: N/m2; Pa; kG/cm2; átmơtphe (atm) ! 1 at = 9,81.104 N/m2 = 1kG/cm2 ! 1atm = 760 mmHg = 101,3 kPa ! 1Pa = 1 N/m2 ! Trong thủy lực áp suất còn thường được đo bằng chiều cao... ống gây ra dáng tiết diện của ống dẫn ! Trở lực cục bộ được kí như: đột thu, đột mở, chỗ hiệu: hms và có đơn vị là m cong (co), van, khớp nối… ! Trở lực cục bộ được kí hiệu: hcb và có đơn vị là m Trở lực ma sát và trở lực cục bộ Trở lực ma sát được kí hiệu hms và được tính theo cơng thức:... ống dẫn, m -‐ vận tốc lưu chất, m/s Trở lực cục bộ được kí hiệu: hcb và được tính theo cơng thức ω2 h = ∑ ξi cb i 2g Trong đó: i – hệ số trở lực cục bộ do co, van, đột thu, đột mở, khớp nối… 33 1/22/16 Các loại trở lực cục bộ 34 1/22/16 Tổng trở lực trên đoạn ống Tổng trở lực trên đoạn ống có đường kính như nhau là ⎛... lực tác dụng lên thành P0 và đáy bình khơng phụ thuộc vào hình dáng và thể tích của hA bình mà chỉ phụ thuộc vào độ sâu của mực chất lỏng trong A bình và diện tích tác dụng G = P.F = (P0 + gh)F 19 1/22/16 Áp lực thuỷ tỉnh tác dụng lên thành phẳng ! Trị số áp lực: F = pC.A ! Vị trí tâm áp lực. .. tĩnh lực học chất lỏng PA g PB g ZA + PA g Z B + PB g A ZA B ZB Mặt chuẩn Z = 0 ZA +PA/g = ZB +PB/g ! Khi đi từ A đến B thì ZA tăng, ZB giảm nhưng PA/g giảm và PB/g tăng nên tổng của hai đại lượng này là khơng thay đổi BÀI TẬP VÍ DỤ P2 P1 16 1/22/16 Ứng dụng của PT cơ bản tĩnh lực học chất lỏng 3 2 1 Định lực pascal Áp lực. .. nhiệt độ Trong đó: Fms = µA dω dn Fms – lực ma sát bên trong chất lỏng, N A – diện tích mặt tiếp xúc giữa các lớp chất lỏng, m2 d/dn – gradien vận tốc µ -‐ hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, gọi là độ nhớt động lực 23 1/22/16 Độ nhớt ! Độ nhớt động lực được tính bằng lực có giá trị là 1 N làm chuyển động
Ngày đăng: 15/06/2016, 08:01
Xem thêm: Slide thủy lực môi trường, Slide thủy lực môi trường