Download - Chuong1 Clc
CƠ LƯU CHẤT
Trần Hữu Nam
Khoa Khoa học Cơ bản
TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
PetroVietnam University
Caùc thoâng tin caàn thieát
Taøi lieäu tham khaûo:
o Baøi giaûng Cô löu chaát
o Giaùo trình Cô löu chaát (Huyønh Coâng Hoaøi vaø caùc taùc giaû – ĐHBK TPHCM)
o Baøi taäp Cô löu chaát (Huyønh Coâng Hoaøi vaø caùc taùc giaû – ĐHBK TPHCM)
o Cô hoïc chaát loûng kyõ thuaät –Traàn Chaán Chænh, Leâ T. Minh Nghóa, NXB
Giaùo duïc, 1996.
o Cô hoïc chaát loûng öùng duïng – Leâ Danh Lieân, NXB KHKT, 2007.
o Introduction to Fluid Mechanics – Robert W. Fox, Philip J. Pritchard, Alan
T. Mcdonald; John Wiley & Sons Inc. 2010.
o Fundamentals of fluid mechanics - Bruce R. Munson, Donald F. Young,
Theodore H. Okiishi. John Wiley & Sons Inc. 2006
Thi cuoái kyø (50%): Hình thöùc: traéc nghieäm
Thi giöõa kyø (20%): = 1/2 thôøi gian vaø soá caâu hoûi cuûa thi cuoái kyø
Ñieåm quaù trình (30%): Ñieån ñaùnh giaù quaù trình hoïc taäp.
PetroVietnam University
CHÖÔNG 1: MÔÛ ÑAÀU
I. Giôùi thieäu moân hoïc Cô löu chaát
II. Caùc tính chaát vaät lyù cô baûn cuûa löu chaát
III. Löïc taùc duïng trong löu chaát
PetroVietnam University
I. Giôùi thieäu moân hoïc Cô löu chaát
1. Ñònh nghóa moân hoïc:
Cô löu chaát laø moät moân khoa hoïc thuoäc laõnh vöïc Cô hoïc, nghieân cöùu
caùc quy luaät chuyeån ñoäng vaø ñöùng yeân cuûa löu chaát vaø caùc quaù trình
töông taùc löïc cuûa noù leân caùc vaät theå khaùc.
Cô hoïc lyù thuyeát
Cô hoïc vaät raén bieán daïng
Cô hoïc ñaát
Cô löu chaát
...
Cô hoïc
Cô löu chaát
Thuyû löïc
Khí ñoäng löïc hoïc
PetroVietnam University
2. Ñoái töôïng nghieân cöùu:
Löu chaát goàm: chất lỏng, chất khí
*Tính chaát :
- Löïc lieân keát phaân töû yeáu coù hình daïng cuûa vaät chöùa noù.
- Tính chaûy ñöôïc khoâng chòu löïc caét vaø löïc keùo
- Tính lieân tuïc
*Khaùc bieät giöõa chaát loûng vaø chaát khí laø ôû tính neùn ñöôïc, nhöng chæ khi vaän toác
ñuû lôùn (V > 0.3c).
3. Phöông phaùp nghieân cöùu:
- Caùc ñònh luaät Cô hoïc cuûa Newton vaø caùc ñònh luaät veà baûo
toaøn vaø chuyeån hoaù trong cô hoïc
Caùc phöông trình moâ taû traïng thaùi giaûi u, p…
- Phöông phaùp giaûi:
+ phöông phaùp giaûi tích
+ phöông phaùp thöïc nghieäm
I. Giôùi thieäu moân hoïc Cô löu chaát
PetroVietnam University
4. Ứng dụng
- Kyõ thuaät giao thoâng, thieát keá cheá taïo maùy bay, taøu thuûy, taøu ngaàm, xe hôi …
- Xaây döïng thuûy lôïi, caàu ñöôøng, caáp thoaùt nöôùc
- Thieát bò thuûy löïc, bôm, tua bin
- Moâi tröôøng, khí töôïng thuûy vaên
- Y khoa: moâ phoûng doøng maùu trong cô theå, cheá taïo tim nhaân taïo
I. Giôùi thieäu moân hoïc Cô löu chaát
PetroVietnam University
Tính toaùn thieát keá caùc thieát bò
thuûy löïc : maùy bôm, tua bin,
quaït gioù, maùy neùn.
I. Giôùi thieäu moân hoïc Cô löu chaát
ÖÙng duïng trong khí töôïng thuûy vaên, moâi
tröôøng : tính toaùn oå nhieãm moâi tröôøng
nöôùc, khí, döï baùo baõo, soùng thaàn ,luõ luït , …
ÖÙng duïng trong y khoa: moâ phoûng
tuaàn hoaøn maùu trong cô theå, tính
toaùn thieát keá caùc maùy trôï tim
nhaân taïo, duïng cuï ño huyeát aùp..
PetroVietnam University
II. Caùc tính chaát vaät lyù cô baûn cuûa löu chaát
1. Khoái löôïng rieâng
-Khoái löôïng rieâng laø khoái löôïng cuûa moät ñôn vò theå tích löu chaát.
Thöù nguyeân: [] = ML-3
Ñôn vò: kg/m3
- Troïng löôïng rieâng : laø löïc taùc duïng cuaû troïng tröôøng leân khoái löôïng
cuûa moät ñôn vò theå tích chaát ñoù.
= g
Thöù nguyeân: [] = ML-3
Ñôn vò: kgf/m3
hay N/m3
- Tyû troïng: tyû soá giöõa troïng löôïng rieâng cuûa moät chaát vôùi troïng
löôïng rieâng cuûa nöôùc n
ôû ñieàu kieän chuaån
= / n
0
limV
m
V
Ñ.löôïng Nöôùc K.khí T.ngaân
, kg/m3
1000 1,228 13,6.103
, N/m3
9,81.103
12,07 133.103
V, mA
PetroVietnam University
II. Caùc tính chaát vaät lyù cô baûn cuûa löu chaát(tt)
2. Tính neùn ñöôïc
Tính nén của lưu chất là sự thay đổi thể tích khi áp suất thay đổi.
Sự thay đổi thể tích khi áp suất thay đổi một đơn vị:
b = -1/V*dV/dp
Hệ số nghịch đảo của b được gọi là suất đàn hồi K.
PetroVietnam University
II. Caùc tính chaát vaät lyù cô baûn cuûa löu chaát(tt)
Suaát ñaøn hoài ñaëc tröng cho tính neùn ñöôïc cuûa löu chaát.
- Ñoái vôùi chaát loûng:
Nöôùc ôû 200C coù K
n= 2,2x10
9N/m
2
Löu chaát ñöôïc xem laø khoâng neùn ñöôïc khi khoái löôïng rieâng thay ñoåi khoâng
ñaùng keå ( = const). Chaát loûng thöôøng ñöôïc xem laø khoâng neùn ñöôïc trong
haàu heát caùc baøi toaùn kyõ thuaät. Khi doøng khí chuyeån ñoäng vôùi vaän toác lôùn hôn
0,3 laàn vaän toác aâm thanh (khoaûng 100 m/s) thi môùi xem laø löu chaát neùn ñöôïc.
- Ñoái vôùi chaát khí: Söû duïng phöông trình traïng thaùi cuûa khí lyù töôûng:
p = RT
+ p laø aùp suaát tuyeät ñoái (N/m2= pascal= J/m
3)
+ laø khoái löôïng rieâng (kg/m3)
+T laø nhieät ñoä tuyeät ñoái (ñoä Kelvin0K)
+ R laø haèng soá, phuï thuoäc chaát khí
+ M laø phaân töû khoái cuûa chaát khí
00 0/lim
V
P dPK V
V V dV
P
V
p
8314R
M
PetroVietnam University
+ Neáu khí lyù töôûng vaø quaù trình neùn ñaúng nhieät (T = const)
Töø phöông trình p = RT p/ = const
hay pV = const
+ Neáu quaù trình neùn ñaúng entropi (quaù trình neùn khoâng ma saùt vaø
khoâng coù söï trao ñoåi nhieät): p/pk
= const
k = cp/c
vc
p– nhieät dung ñaúng aùp
R = cp– c
vc
v– nhieät dung ñaúng tích
Vaän toác truyeàn aâm trong löu chaát:
Ñoái vôùi khí lyù töôûng trong quaù trình neùn ñaúng entropi:
Ví duï 1: Moät xilanh chöùa 0,1 lít nöôùc ôû 200C. Neáu eùp piston ñeå theå
tích giaûm 1% thí aùp suaát trong xilanh taêng leân bao nhieâu?
Giaûi: ÔÛ 200C, suaát ñaøn hoài cuûa nöôùc K
n= 2,2x10
9N/m
2
dp Kc
d
kpc kRT
II. Caùc tính chaát vaät lyù cô baûn cuûa löu chaát(tt)
PetroVietnam University
II. Caùc tính chaát vaät lyù cô baûn cuûa löu chaát(tt)
Theå tích giaûm 1%: dV/V = -1/100
Vaäy aùp suaát taêng: dP = -KndV/V = 2,2x10
9x10
-2= 2,2x10
7N/m
2
= 2,2x107Pa
Ví duï 2: Moät bình coù theå tích 0,2m3, chöùa 0,5kg Nitrogen. Nhieät ñoä
trong bình laø 200C. Xaùc ñònh aùp suaát khí trong bình?
Giaûi: Giaû thieát khí Nitrogen laø khí lyù töôûng. Haèng soá khí lyù töôûng
cuûa Nitrogen laø R= 0,2968kJ/kg.K.
AÙp suaát tuyeät ñoái trong bình laø:
Ví duï 3: khoâng khí ôû 15,50C vôùi k =1,4; R = 287 m
2/s
2K
vaän toác truyeàn aâm trong khoâng khí laø c= 340,5m/s.
Nöôùc ôû 200C coù K = 2,2 GN/m
2vaø =998,2kg/m
3 c =1484 m/s
3
0,50,2968 (273 20) 218
0,2 .
kg kJp RT x x K kPa
m kg K
PetroVietnam University
Ví dụ minh họa
Ví du 4ï: Moät bình baèng theùp coù theå tích V = 0,2m3
chöùa ñaày nöôùc ôû
ñieàu kieän chuaån. Tìm gia taêng aùp suaát nöôùc trong bình sau khi neùn
theâm vaøo V’ = 2 lít nöôùc ôû cuøng ñieàu kieän trong 2 tröôøng hôïp:
1. Bình ñöôïc xem nhö tuyeät ñoái cöùng;
2. Bình daõn nôû. Theå tích bình gia taêng = 0,01%/at cho moãi at aùp
suaát gia taêng.
Giaûi:
1. Bình tuyeät ñoái cöùng:
Khoái nöôùc ban ñaàu ñöôïc xeùt laø: Vb+ V’ = 0,202m
3
Theå tích nöôùc sau khi neùn laø theå tích bình Vb
= 0,2 m3
Vaäy ñoä gia taêng aùp suaát laø:
'
'
( ) ( )b b
b
V V VVp K K
V V V
9 70,0022,2 10 2,18 10 222
0,202x x x Pa at
PetroVietnam University
2.Neáu bình daõn.
Sau khi neùn, theå tích khoái nöôùc laø theå tích bình ñaõ daõn
Vbs
= Vb[1+p]
Bieán thieân theå tích nöôùc sau khi neùn laø:
V = Vbs
- (Vb
+ V’) = Vb[1+p] – (V
b+ V’)
= pVb– V
’
Vaäy:
Suy ra
= 68,9 at.
'
'
b
b
pV Vp K
V V
'
'
b b
V Kp
V K V V
942,2.10
2,24.1098100 /
PaE at
Pa at
3 4
3 4 3
(0,002 ) (2,24.10 )
0,0001 (0,2 ) (2,24.10 ) 0,202 )
m x at
x m x at m
Ví dụ minh họa
PetroVietnam University
3. Tính nhôùt
Löu chaát khoâng coù khaû naêng chòu löïc caét, khi coù löïc naøy taùc duïng, noù
seõ chaûy vaø xuaát hieän löïc ma saùt beân trong.
ÖÙng suaát ma saùt giöõa caùc lôùp löu chaát song song do söï chuyeån ñoäng
töông ñoái giöõa caùc lôùp phuï thuoäc vaøo gradient vaän toác du/dy.
*Ñaëc tröng cho ma saùt giöaõ caùc phaàn
töû löu chaát trong chuyeån ñoäng
Ñònh luaät ma saùt nhôùt Newton:
: öùng suaát tieáp, ñôn vò N/m2=Pa
: ñoä nhôùt ñoäng löïc hoïc, thöù nguyeân [] = FTL-2
, ñôn vò N.s/m2
du/dy: suaát bieán daïng hay bieán thieân vaän toác theo phöông thaúng goùc
vôùi chuyeån ñoäng
II. Caùc tính chaát vaät lyù cô baûn cuûa löu chaát(tt)
( )du
constdy
du
dy
u+du
u
x
y u
PetroVietnam University
* Coù 2 loaïi löu chaát:
+ Löu chaát Newton: coù öùng suaát tieáp tæ leä thuaän vôùi suaát bieán daïng.
+ Löu chaát phi Newton: coù öùng suaát tieáp khoâng tæ leä vôùi suaát bieán daïng
*Ñoä nhôùt ñoäng löïc hoïc :
= const ñ/v löu chaát Newton
= 0 ñ/v löu chaát lyù töôûng
Ñoä nhôùt ñoäng hoïc:
+ Ñoä nhôùt cuûa chaát loûng giaûm khi nhieät ñoä taêng.
+ Ñoä nhôùt cuûa chaát khí taêng khi nhieät ñoä taêng
+ Chaát loûng: aùp suaát taêng heä soá nhôùt taêng
+ Chaát khí : heä soá nhôùt khoâng thay ñoåi khi aùp suaát thay ñoåi
II. Caùc tính chaát vaät lyù cô baûn cuûa löu chaát(tt)
Ñ.löôïng Nöôùc K.khí
, poise 1.10-2
1,8.10-4
, stoke 0,01 0,15
Löu chaát Newton
Löu chaát phi Newton
Löu chaát phi Newton
0du/dy
PetroVietnam University
Ví dụ minh họa
Ví duï 5: Chaát loûng Newton (heä soá nhôùt 1,9152 Pa.s) chaûy giöõa hai taám
phaúng song song, vôùi vaän toác phaân boá theo quy luaät:
V laø vaän toác trung bình. Vôùi V = 0,6m/s vaø h = 0,51m. Tính öùng suaát tieáp taùc duïng
leân taám döôùi vaø taïi ñieåm giöõa.
Giaûi: ÖÙng suaát tieáp ñöôïc tính töø coâng thöùc:
Ta coù:
Taïi ñieåm giöõa: y=0, du/dy = 0
=0
du
dy
3
y h
du V
dy h
taámdöôùi
23
12
V yu
h
2
3du Vy
dy h
23(0,6 / )(1,9152 ). 6,759 /
(0,51 )
m sPa N m
m
taámdöôùi
PetroVietnam University
II. Caùc tính chaát vaät lyù cô baûn cuûa löu chaát(tt)
4./ AÙp suaát hôi:
AÙp suaát hôi cuûa chaát loûng: laø aùp suaát cuïc boä cuûa phaàn hôi treân beà maët
tieáp xuùc vôùi chaát loûng
AÙp suaát hôi baõo hoaø: aùp suaát hôi ôû traïng thaùi maø quaù trình bay hôi vaø
ngöng tuï caân baèng (baõo hoøa)
* Hieän töôïng suûi vaø vôõ boït hôi:
+ Taïi moät soá vuøng naøo ñoù trong doøng
chaûy neáu aùp suaát tuyeät ñoái nhoû hôn giaù
trò aùp suaát hôi, chaát loûng seõ suûi boït
-> ñöùt ñoaïn chaân khoâng
+ Caùc boït khí naøy khi vôõ seõ gaây toån
haïi ñeán beà maët cuûa thaønh raén goïi laø
hieän töôïng xaâm thöïc khí.
Baét ñaàu suûi boït
pV
p
x
Baét ñaàu vôõ boït
PetroVietnam University
5./ Söùc caêng beà maët vaø hieän töôïng mao daãn:
Söùc caêng beà maët laø löïc huùt phaân töû treân
moät ñôn vò chieàu daøi cuûa beà maët chaát loûng.
Thöù nguyeân [ ] = F/L, ñôn vò: N/m (SI)
Hieän töôïng mao daãn xuaát hieän trong caùc oáng nhoû, taïi maët giao tieáp
raén – loûng – khí, gaây ra bôûi söùc caêng beà maët:
II. Caùc tính chaát cô baûn cuûa löu chaát(tt)
Rh
cos2
PetroVietnam University
Ví dụ minh họa
Ví duï 6: Xaùc ñònh ñöôøng kính nhoû nhaát cuûa oáng thuyû tinh saïch (
00) sao cho ñoä daâng cuûa nöôùc 20
0C trong oáng do hieän töôïng mao
daãn khoâng quaù 1mm.
Giaûi:
Töø .
Suy ra: R =2cos/R.
Nöôùc ôû 200C coù = 0,0728 N/m vaø =9789 N/m
3.
Vì 00neân ñeå coù h = 1mm thì
Ñöôøng kính oáng nhoû nhaát laø : D = 2R = 0,0298m
Rh
cos2
mmmN
mNR 0149,0
)10)(/9789(
)/0728,0(233
PetroVietnam University
Löïc taùc duïng chæ coù löïc phaân boá vaø ñöôïc chia thaønh 2 loïai:
+ Noäi löïc
+ Ngoaïi löïc
Ngoïai löïc goàm löïc khoái vaø löïc maët
1. Löïc khoái
Laø ngoïai löïc taùc duïng leân moïi phaàn töû cuûa theå tích löu chaát vaø tyû
leä vôùi khoái löôïng löu chaát
- Vector cöôøng ñoä löïc khoái
Ví duï:
Troïng löïc:
Löïc quaùn tính:
Löïc ly taâm:
III. Löïc taùc duïng trong löu chaát
F
V
fF
V
lim0
gF
aF
rF 2
A
f
V, V
PetroVietnam University
III. Löïc taùc duïng trong löu chaát (tt)
2. Löïc maët
Laø ngoïai löïc taùc duïng leân theå tích löu chaát thoâng qua beà maët bao
boïc vaø tyû leä vôùi dieän tích beà maët.
- Vector öùng suaát
Ví duï:
AÙp suaát
ÖÙng suaát ma saùt
Traïng thaùi öùng suaát
ÖÙng suaát treân maët baát kyø:n n x y y z zn n n
0lim
S
f
S
f
A
S
xx xy xz
yx yy yz
zx zy zz
(ij = ji) x
y
z