Đang tải... (xem toàn văn)
ục tiêu: Trang bị cho sinh viên những kiến thưc cở sở về thủy lực: thủy tĩnh lực, động học, động lực học. Hiểu rõ các quy luật cân bằng, chuyển động và mối liệ hệ giữa lực và chuyển động
Chương 1 - Mở đầu Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1. Khái niệm chung 1.1.1. Định nghĩa môn học - Thủy lực là môn khoa học ứng dụng nghiên cứu các quy luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng và các biện pháp ứng dụng những quy luật đó để giải quyết các bài toán kỹ thuật. 1.1.2. Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của Thuỷ lực là nước và những chất chảy được trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi (chất lỏng) trong thực tế bao gồm dầu, các sản phẩm của dầu, kim loại nóng chảy, khí hoá lỏng… 1.1.3. Phương pháp nghiên cứu * Phương pháp nghiên cứu môn thuỷ lực là sự kết hợp chặt chẽ giữa phân tích lý luận với phân tích tài liệu thí nghiệm, thực đo để giải quyết những vấn đề thực tế trong kỹ thuật. Các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm bao gồm: + Phương pháp thể tích hữu hạn. + Phương pháp tương ứng. + Phương pháp giải tích thí nghiệm + Phương pháp thống kê thuỷ động. + Phương pháp nghiên cứu mô hình hoá. * Thông thường phương pháp nghiên cứu tiến hành như sau: + Tách riêng trong khối chất lỏng đang xét ra một thể tích nhỏ, gọi là thể tích kiểm tra, mặt bao quanh thể tích kiểm tra đó gọi là mặt kiểm tra. +Áp dụng những nguyên lý cơ bản của cơ học và vật lý học đối với toàn bộ khối chất lỏng trong thể tích kiểm tra, coi toàn bộ khối chất lỏng đó là một hệ thống vật chất do các phần tử chất lỏng đó tạo nên. Khi nghiên cứu, người ta dựa vào 3 nguyên lý sau: +Nguyên lý bảo toàn khối lượng +Nguyên lý bảo toàn động lượng +Nguyên lý bảo toàn năng lượng Như vậy để nghiên cứu tốt môn này cần phải nắm vững các kiến thức về toán học, cơ học và vật lý học. 1.1.4. Phạm vi áp dụng: Trong khoa học thuỷ lực đã hình thành nhiều lĩnh vực nghiên cứu chuyên môn khác nhau như: Thuỷ lực đường ống, thuỷ lực kênh hở, thuỷ lực công trình, thuỷ lực sông ngòi, thuỷ lực dòng thấm .Những ngành cần áp dụng khoa học thuỷ lực nhiều nhất là ngành thuỷ lợi, giao thông đường thuỷ,cấp thoát nước, các ngành chế tạo máy thuỷ lực, chế tạo vật nổi . 1-1 Chương 1 - Mở đầu Đối với ngành công trình thủy, thủy lực là kiến thức cơ bản cần thiết cho các môn chuyên ngành như công trình bến, công trình chỉnh trị, công trình bảo vệ bờ, công trình thủy công và một số môn học khác như công trình thủy lợi… 1.2 Khái niệm về chất lỏng trong thuỷ lực 1.2.1. Khái niệm. - Chất lỏng, khác với vật rắn, là loại vật chất có tính dễ chảy. Để thay đổi được hình dạng của vật rắn ta cần tác động vào đó một lực có giá trị nào đó, đôi khi là rất lớn. Còn đối với chất lỏng, sự thay đổi hình dạng có thể xảy ra dưới tác dụng của một lực vô cùng nhỏ (chất lỏng chảy dưới tác dụng của chính trọng lượng bản thân nó). - Trong thủy lực, chất lỏng được coi như một môi trường liên tục có tính nhớt, tính không nén (kéo) được, đồng chất và đẳng hướng. Các đại lượng cơ lý đặc trưng cho chất lỏng là những hàm liên tục. Do đó môn thủy lực không nghiên cứu những vận động phân tử trong nội bộ chất lỏng mà chỉ nghiên cứu những vận động cơ học của chất lỏng dưới tác dụng của các lực ngoài. 1.2.2. Một số đặc điểm của chất lỏng trong thủy lực - Chất lỏng có liên kết giữa các phân tử rất nhỏ (liên kết yếu) nên chất lỏng có tính do động và dễ chảy. Vì nó có tính dễ chảy nên các phần tử của chất lỏng có tính chuyển động tương đối khi chất lỏng chuyển động. - Vì chất lỏng có tính chảy nên nó không có hình dạng riêng mà lấy hình dạng của bình chứa nó đứng tĩnh. - Lực dính phân tử trong chất lỏng lớn do khoảng cách giữa các phân tử chất lỏng rất nhỏ nên chất lỏng giữ được thể tích ban đầu hầu như không thay đổi khi nhiệt độ và áp suất thay đổi. - Chất lỏng không nén được và đồng thời cũng không kéo được - Tại mặt tiếp xúc của chất lỏng với chất khí và chất rắn, do có lực tương tác giữa các phân tử nên chất lỏng có sức căng mặt ngoài. Vì có sức căng mặt ngoài nên một thể tích nhỏ của chất lỏng đặt trong trường trọng lực sẽ có dạng hạt. 1.3 Những đặc tính vật lý cơ bản của chất lỏng 1.3.1. Tính có khối lượng - Cũng như mọi vật thể khác, chất lỏng có đặc tính là có khối lượng. Đặc tính này được biểu thị bởi khối lượng riêng (khối lượng của một đơn vị thể tích), ký hiệu là ρ WM=ρ (T/m3; kg/m3) (1-1) Trong đó : M – khối lượng chất lỏng chứa trong thể tích W W – thể tích chất lỏng có khối lượng M. 1.3.2. Tính có trọng lượng - Chất lỏng được xét nằm trong không gian của Trái đất, do đó nó chịu ảnh hưởng của trường trọng lực. Vì thế chất lỏng có trọng lượng. Đặc tính có trọng lượng của chất lỏng được đặc trưng bởi trọng lượng đơn vị hay trọng lượng riêng (ký hiệu γ) 1-2 Chương 1 - Mở đầu gWgMWG ργ=== (N/m3) (1-2) Trong đó : G - Trọng lượng của chất lỏng có thể tích W (N, KN) g - gia tốc trọng trường (9,81 m/s2) * Đối với nước ở nhiệt độ 40C γ = 9810 N/m3* Thuỷ ngân γ = 134.000N/m31.3.3. Tính thay đổi thể tích khi nhiệt độ và áp suất thay đổi - Khi nhiệt độ và áp suất thay đổi thì chất lỏng có sự thay đổi về thể tích. Tuy nhiên sự thay đổi này rất nhỏ (≈ 0) nên trong thuỷ lực học người ta coi chất lỏng không co dãn. 1.3.4. Tính có sức căng mặt ngoài. - Đặc tính này được giải thích là do có lực tương tác giữa các phần tử tại mặt tiếp xúc của chất lỏng với chất khí, chất rắn hay chất lỏng khác để cân bằng với sức hút phân tử của chất lỏng ở lân cận mặt tiếp xúc vì ở vùng này sức hút giữa các phân tử chất lỏng không đôi một cân bằng nhau như ở vùng xa mặt tiếp xúc, nó thể hiện ở khả năng chịu được ứng suất kéo không lớn trên mặt tiếp xúc (Ví dụ như cắm một ống thủy tinh nhỏ vào chất lỏng, mực chất lỏng trong ống dâng lên cao hơn so với bề mặt chất lỏng cũ một khoảng là h). Điển hình là một thể tích nhỏ của chất lỏng trong trường trọng lực có dạng hạt. 1.3.5. Tính nhớt. - Tính nhớt là tính chất làm nảy sinh ứng suất tiếp giữa các lớp chất lỏng chuyển động. u=f(n)u+duudu n u Hình 1 - 1: Phân bố vận tốc Đây là nguyên nhân sinh ra ma sát trong làm tổn thất năng lượng khi chất lỏng chuyển động. Khái niệm về tính nhớt liên quan chặt chẽ với khái niệm về ma sát trong. Năm 1686, Niutơn đã đưa ra định luật về ma sát trong xuất hiện khi các lớp chất lỏng chuyển động. Định luật phát biểu như sau : “Sức ma sát trong giữa các lớp chất lỏng chuyển động tỷ lệ với diện tích tiếp xúc của các lớp chất lỏng, không phụ thuộc vào áp lực, phụ thuộc vào Gradien vận tốc theo phương vuông góc với phương chuyển động và phụ thuộc vào loại chất lỏng” 1-3 Chương 1 - Mở đầu dndusF µ= (1-3) Trong đó : F – lực ma sát trong giữa hai lớp chất lỏng S – diện tích tiếp xúc µ - hệ số tỷ lệ (hệ số nhớt) phụ thuộc vào loại chất lỏng. u - vận tốc, u = f(n) : quy luật phân bố vận tốc theo phương n. dndu - Gradien vận tốc theo phương n. - Gọi τ là ứng suất tiếp : dnduSFµτ== (1-4) Công thức (1-3) và (1-4) được dùng cho trạng thái chuyển động tầng của chất lỏng (sẽ nói rõ trong chương 4). * Tính nhớt của chất lỏng đặc trưng bởi hệ số nhớt động lực µ (Ns/m2 hoặc kg/ms) hoặc hệ số nhớt động học : ρµν= (m2/s) (1-5) * Thủy lực học nghiên cứu chất lỏng tuân theo định luật ma sát trong của Niutơn. Chất lỏng tuân theo định luật ma sát trong của Niutơn gọi là chất lỏng Niutơn hay chất lỏng thực. - Để thuận tiện trong việc nghiên cứu trong một số trường hợp, người ta đưa ra khái niệm chất lỏng lý tưởng thay cho chất lỏng thực . Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng được coi là không có tính nhớt. Khi nghiên cứu chất lỏng ở trạng thái tĩnh thì không cần phân biệt chất lỏng thực với chất lỏng lý tưởng. Trái lại khi nghiên cứu chất lỏng chuyển động thì từ chất lỏng lý tưởng sang chất lỏng thực phải tính thêm ảnh hưởng của ma sát trong, tức là ảnh hưởng của tính nhớt. Trong những đặc tính vật lý cơ bản nói trên của chất lỏng, quan trọng nhất trong môn thủy lực là đặc tính có khối lượng, có trọng lượng và có tính nhớt. 1-4 . Chương 1 - Mở đầu Chương 1 MỞ ĐẦU 1. 1. Khái niệm chung 1. 1 .1. Định nghĩa môn học - Thủy lực là môn khoa học ứng dụng nghiên. thoát nước, các ngành chế tạo máy thuỷ lực, chế tạo vật nổi... 1- 1 Chương 1 - Mở đầu Đối với ngành công trình thủy, thủy lực là kiến thức cơ bản cần thiết