Đang tải... (xem toàn văn)
GIÁO TRÌNH CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 1GIÁO TRÌNH CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 1GIÁO TRÌNH CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 1GIÁO TRÌNH CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 1GIÁO TRÌNH CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 1GIÁO TRÌNH CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 1GIÁO TRÌNH CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 1GIÁO TRÌNH CƠ HỌC CHẤT LỎNG CHƯƠNG 1
Cơ lưu chất – Fluid Mechanics Tài liệu tham khảo • Giáo trình cơ lưu chất – Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM TS. Lê Thị Hồng Hiếu – Bộ Môn Kỹ Thuật Hàng Không – Đại Học Bách Khoa Đề cương Chương 1: Mở đầu Chương 2: Tĩnh học lưu chất Chương 3: Động học lưu chất Chương 4: Động lực học lưu chất Chương 5: Phân tích thứ nguyên và đồng dạng Chương 6: Dòng chảy đều trong ống Chương 7: Thế lưu Chương 1: MỞ ĐẦU 1.Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2.Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất 2.1 Khối lượng riêng – Trọng lượng riêng – Tỷ trọng 2.2 Tính nhớt 2.3 Tính nén được 2.4 Áp suất hơi bão hòa 2.5 Sức căng bề mặt và hiện tượng mao dẫn 2.6 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng 1. Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1.1 Mục đích môn học: là môn khoa học cơ bản, nghiên cứu các quy luật chuyển động, cân bằng của lưu chất và các quá trình tương tác lực của nó lên các vật thể khác. Các vấn đề nghiên cứu trong phạm vi môn học rất đa dạng có nhiều ứng dụng trong hoạt động của người kỹ sư. Ví dụ: Tìm hiểu cấu trúc của dòng chuyển động và tính toán phân bố của các thông số cơ bản như áp suất, vận tốc, nhiệt độ, khối lượng riêng; dòng chuyển động qua những cố thể rắn (lực tác động của gió lên những tòa nhà cao tầng, lực và moment tác động trên máy bay….), tính toán mất năng trong đường ống dẫn dầu, dòng chuyển động qua quạt, máy bơm, máy nén…, điều khiển và ổn định dòng chuyển động Cơ lưu chất là nhánh rẽ của môn cơ học tương tự như môn sức bền vật liệu, cơ học kết cấu, cơ học đàn hồi, cơ học đất. Trong môn học cơ lưu chất, chúng ta nghiên cứu đặc tính, ứng xử và diễn biến cơ học của một môi trường vật chất riêng biệt – đó là lưu chất 1.2 Đối tượng nghiên cứu- lưu chất là gì? Phân biệt chất rắn- chất lỏng – chất khí 1. Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chất rắn Chất lỏng Chất khí Hình dạng Xác định Phụ thuộc vào hình dạng bình chứa Không xác định, chiếm toàn bộ thể tích bình chứa Lực liên kết phân tử Rất lớn Yếu Rất yếu Ứng xử dưới tác động của lực • Đàn hồi, biến dạng hữu hạn • Chuyển động hạn chế trong phạm vi đàn hồi • Chịu được biến dạng lớn không đàn hồi dưới tác động của lực nhỏ • Biến dạng liên tục và không có khả năng chống lại sự thay đổi do lực • Chuyển động phức tạp: tịnh tiến và quay 1. Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1.2 Đối tượng nghiên cứu- lưu chất là gì? Chất lỏng và chất khí: lưu chất – môi trường liên tục, quan điểm này cho phép mô tả đặc trưng của lưu chất (áp suất, vận tốc, nhiệt độ, khối lượng riêng ) tại một điểm (x,y,z) bất kỳ tại một thời điểm t tùy ý như là các hàm liên tục. Tính chất ảnh hưởng rõ nét nhất đến sự khác biệt của chất khí và lỏng là tính nén được – sự thay đổi của khối lượng riêng. Thông thường, chất lỏng là lưu chất không nén được (khối lượng riêng là hằng số) và chất khí là lưu chất dễ nén Lý thuyết về chất lỏng và chất khí tương tự như nhau cho trường hợp chuyển động với vận tốc thấp khi ảnh hưởng của tính nén được của lưu chất có thể được bỏ qua Khi chuyển động ớ vận tốc lớn (số Mach>0.3: vận tốc chuyển động lớn hơn 0.3 lần vận tốc âm thanh), đặc tính chịu nén của chất khí có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất dòng chuyển động chất khí được nghiên cứu bằng lý thuyết riêng: khí động lực học TYPES OF AERODYNAMIC FLOW B. Low-density and free- molecule flows AERODYNAMICS A. Continuum flow C. Viscous flow D. Inviscid flow F. Compressible flow E. Incompressible flow H. Transonic flow G. Subsonic flow I. Supersonic flow J. Hypersonic flow 1. Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu- cơ lưu chất nghiên cứu vấn đề gì? Ứng xử của lưu chất ở trạng thái tĩnh và động Ứng xử và tương tác giữa lưu chất và thành rắn/cố thể • Nội lưu: trường hợp lưu chất được chứa đựng hay bao quanh bởi thành rắn: bài toán chuyển động lưu chất, chuyển biến năng lượng của dòng chuyển động thành cơ năng hay nhiệt năng dưới dạng khí nén, hơi nước, nước nóng… • Ngoại lưu: trường hợp lưu chất bao quanh cố thể Trường lưu chất được phân chia thành những phần tử đủ nhỏ để được xem là đồng nhất, gọi là phần tử lưu chất. Sự trao đổi và tương tác ớ cấp độ phân tử giữa các phần tử lưu chất kế cận: khối lượng, động lượng, năng lượng. Để diễn tả thành các phương trình các hiện tượng trao đổi và tương tác như trên, chúng ta dựa trên nền tảng các nguyên lý cơ bản của cơ học cổ điển và nhiệt động lực học: • Định luật bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục) • Định luật bảo toàn động lượng (định luật II Newton) • Định luật bảo toàn năng lượng 1. Mục đích môn học – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu- cơ lưu chất nghiên cứu vấn đề gì? Phương pháp giải tích: xây dựng cơ sở lý thuyết dựa trên đặc tính về hình học và các giả thiết tính toán (lưu chất không ma sát, không nén được…) để giải các phương trình bảo toàn lý thuyết nghiên cứu cổ điển, ứng dụng cho một số vấn đề cụ thể Phương pháp tính toán mô phỏng số: giải các phương trình bảo toàn cho các bài toán phức tạp mà phương pháp giải tích không thực hiện được nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và các công cụ tính toán Phương pháp thực nghiệm: sử dụng kết quả thực nghiệm, phân tích tổng hợp để đưa ra các quy luật mô tả trạng thái và ứng xử của lưu chất công thức thực nghiệm, bổ sung cho lý thuyết và giúp chúng ta kiểm chứng các lời giải bằng phương pháp giải tích và phương pháp số The bigger picture – The three equal partner of modern aerodynamics Pure experiment Pure theory Computational Fluid Dynamics [...]... (1poise=0.1Pa.s) hệ số nhớt động học (1stoke =10 -4m2/s) Nước Không khí μ, poise 1. 10-2 1. 8 .10 -4 γ, stoke 0. 01 0 .15 2 Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất Phân loại lưu chất: • Lưu chất Newton: hầu hết lưu chất có hệ số nhớt μ=const Lưu chất có hệ số nhớt không phụ thuộc biến thiên vận tốc du/dy • Lưu chất phi Newton: lưu chất có hệ số nhớt phụ thuộc vào... nhớt – tính chất ma sát của lưu chất Không khí Chất lỏng 3 µ T 2 T + So = ÷ ( Sutherland ) µo To T + S µo = 1. 78 .10 −6 poise; To = 288o K ; S = 11 3o K µ (T ) = µo (0o C ) ( 1 + AT + BT 2 ) Nước: μo=0. 017 9poise; A=0.03368;B=0.0002 21 Ảnh hưởng áp suất đến độ nhớt: nhỏ không đáng kể • Không khí: Dưới 20bars (1bar =10 5Pa) • Chất lỏng: Dưới 40 bars 2 Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất 2.3... du/dy 2 Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ nhớt 2 Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ nhớt • Chất khí: T tăngμ tăng; • Chất lỏng: T tăng μ giảm; Tại sao ảnh hưởng của nhiệt độ lên hệ số nhớt của chất lỏng và khí ngược nhau? • Chất khí: khi nhiệt... trọng lượng riêng γ của một chất với trọng lượng riêng của nước ở điều kiện tiêu chuẩn (20 oC) γ ρ δ = γ / γ H 2O Nước Thủy ngân Không khí ρ [kg/m3] 10 00 13 600 1. 228 γ [N/m3] 9. 81. 103 13 3 .10 3 12 .07 Khối lượng riêng phụ thuộc vào trạng thái của lưu chất: áp suất, nhiệt độ 2 Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất Tính nhớt là tính chất đặc trưng cho lực... Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất 2.5 Sức căng bề mặt Chất lỏng có khuynh hướng thu hẹp diện tích tiếp xúc Bề mặt chất lỏng giống như một tấm màng mỏng chịu lực căng Sức căng bề mặt là lực tác dụng trên một đơn vị chiều dài trên bề mặt chất lỏng T Σf=0 2 Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất 2.5 Sức căng bề mặt Sức căng bề mặt làm cho chất lỏng có khuynh hướng thu hẹp, nên hạt chất lỏng thường... trưng cho lực cản ma sát chống lại chuyển động Đây là tính chất quan trọng chỉ thể hiện khi lưu chất chuyển động (Động học lưu chất> . khí ρ [kg/m 3 ] 10 00 13 600 1. 228 γ [N/m 3 ] 9. 81. 10 3 13 3 .10 3 12 .07 2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất Tính nhớt là tính chất đặc trưng. poise 1. 10 -2 1. 8 .10 -4 γ, stoke 0. 01 0 .15 2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất 2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất Phân loại lưu chất: • Lưu chất Newton: hầu hết lưu chất. cương Chương 1: Mở đầu Chương 2: Tĩnh học lưu chất Chương 3: Động học lưu chất Chương 4: Động lực học lưu chất Chương 5: Phân tích thứ nguyên và đồng dạng Chương 6: Dòng chảy đều trong ống Chương