Xem mẫu
- 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. Mục đích môn học – Đối tượng và phương
pháp nghiên cứu
1.2 Đối tượng nghiên cứu- lưu chất là gì?
Phân biệt chất rắn- chất lỏng – chất khí
Chất rắn Chất lỏng Chất khí
Hình dạng Xác định Phụ thuộc vào Không xác định,
hình dạng bình chiếm toàn bộ thể
chứa tích bình chứa
Lực liên kết Rất lớn Yếu Rất yếu
phân tử
Ứng xử dưới • Đàn hồi, biến • Chịu được biến dạng lớn không
tác động của dạng hữu hạn đàn hồi dưới tác động của lực nhỏ
lực • Chuyển động • Biến dạng liên tục và không có
hạn chế trong khả năng chống lại sự thay đổi do
phạm vi đàn lực
hồi • 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
AERODYNAMICS
A. Continuum flow B. Low-density and free-
molecule flows
C. Viscous flow D. Inviscid flow
E. Incompressible flow
F. Compressible flow
G. Subsonic H. Transonic I. Supersonic J. Hypersonic
flow flow flow 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 Pure theory
experiment
Computational
Fluid Dynamics
- 2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất
2.1 Khối lượng riêng – Trọng lượng riêng – Tỷ trọng
Khối lượng riêng ρ của một chất là mật độ khối lượng
trong một đơn vị thể tích của chất đó
m m mass M kg
lim 3
3
V 0 V V [length L] m
Trọng lượng riêng γ của một chất là lực trọng trường tác
dụng lên khối lượng của một đơn vị thể tích chất đó
γ =[kg/m3.m/s2]=[N/m3]
g g=9.81m/s2 – gia tốc trọng trường
Tỷ trọng δ là tỷ số giữa trọng lượng riêng γ của một chất
với trọng lượng riêng của nước ở điều kiện tiêu chuẩn (20oC)
/ H 2O Nước Thủy ngân Không khí
ρ [kg/m3] 1000 13600 1.228
γ [N/m3] 9.81.103 133.103 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 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>
- 2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất
2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất
Thí nghiệm COUETTE
Phân tích thực nghiệm cho
thấy, ứng suất (lực/một đơn vị
diện tích) tỉ lệ thuận với vận
tốc kéo U và tỉ lệ nghịch với
khoảng cách h theo một hằng
số tỉ lệ gọi là μ
F U
A h
Khi vận tốc dịch chuyển của tấm phẳng trên đủ nhỏ, lưu chất chuyển
động mà không hòa trộn vào nhau, thành từng lớp mỏng song song với
mặt phẳng – chuyển động tầng. Lớp trên tương tác với lớp dưới qua ma
sát và truyền cho nó một vận tốc giảm dần theo khoảng cách giữa hai tấm
phẳng
Phân bố vận tốc theo quy luật tuyến tính
- 2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất
2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất
F U
A h
Định luật Newton
dU
dy dU
dy
dU Biến thiên vận tốc theo
phương vuông góc với
dy chuyển động (phương y)
- 2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất
2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất
Một cách tổng quát : Định luật Newton (áp dụng cho
chuyển động tầng)
dU
dU Biến thiên vận tốc theo
dy dU phương vuông góc với
dy chuyển động (phương y)
dy
N / m2 hệ số nhớt động lực học
N .s / m2 [ Pa.s ]
m / s / m (1poise=0.1Pa.s)
[ N .s / m 2 ]
[m 2 / s ] hệ số nhớt động học (1stoke=10-4m2/s)
[kg / m3 ]
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 biến thiên vận tốc
(gradient vận tốc) 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 độ tăng các phân tử khí càng chuyển
động hỗn loạn và va chạm nhau nhiều hơn lực kiên kết
giữa các phân tử tăng hệ số nhớt tăng
• Chất lỏng: khi nhiệt độ tăng các phân tử chuyển động
tách xa nhau giảm lực liên kết phân tử hệ số nhớt giảm
Vấn đề thay đổi của hệ số nhớt theo nhiệt độ ảnh
hưởng đến việc bôi trơn máy móc. Trong các động cơ
nhiệt (ví dụ: động cơ xe máy, động cơ ô tô), nhiệt độ
thay đổi rất lớn sử dụng hỗn hợp bôi trơn gồm nhiều
loại dầu bôi trơn có hệ số nhớt khác nhau
- 2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất
2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất
3
Không khí T 2 T So
( Sutherland )
o To T S
o 1.78.106 poise; To 288o K ; S 113o K
Chất lỏng (T ) o (0o C ) 1 AT BT 2
Nước: μo=0.0179poise; A=0.03368;B=0.000221
Ảnh hưởng áp suất đến độ nhớt: nhỏ không đáng kể
• Không khí: Dưới 20bars (1bar=105Pa)
• Chất lỏng: Dưới 40 bars
- 2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất
2.3 Tính nén được – suất đàn hồi K
Ở áp suất P, phần tử lưu chất có thể tích là V
Khi áp suất thay đổi dP thể tích lưu chất biến thiên dV
P+dP
V V+dV
Sự thay đổi về thể tích tương đương với biến thiên khối
lượng riêng dρ (ρV=Mass = const)
Nước Không khí
K = 2,06.109 Pa 1,4.105 Pa
Suất đàn hồi liên hệ với vận tốc âm thanh
nguon tai.lieu . vn
