chuong1 clc

CƠ LƯU CHẤT

Trần Hữu Nam

Khoa Khoa học Cơ bản

[email protected]

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.


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



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


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



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



Tính toaùn thieát keá caùc thieát bò

thuûy löïc : maùy bôm, tua bin,

quaït gioù, maùy neùn.


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..


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


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.



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


+ 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




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


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


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


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


( )du

constdy

du

dy

u+du

u

x

y u


* 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


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


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



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


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


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


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


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


Câu hỏi trắc nghiệm

chuong1 clc

Documents