Bài giảng Thủy lực môi trường - Trần Đức Thảo

1Bài giảng THỦY LỰC MÔI TRƯỜNG GV: Trần Đức Thảo  Giáo trình chính: [1] PGS. TS. Vương Đình Đước, Thủy lực môi trường, Trường ĐH Công nghiệp thực phẩm thành phố Hồ Chí Minh, 2013. TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình tham khảo: [1] TS. Huỳnh Phú, Thủy lực môi trường, Viện Khoa học công nghệ & Quản lý môi trường – ĐH Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh, 2008. [2] Nhóm tác giả, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất (tập 1 & tập 2), NXB. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006. [3] Phùng Văn Khương, Trần Đình Nghiên, Phạm Văn Vĩnh, Thủy lực đại cương, ĐH GTVT. 2Giáo trình tham khảo: [4] Trần Văn Bắc, Thủy lực đại cương, ĐH Bách khoa Hà Nội, 2003. [5] Hoàng Đức Liên, Thủy lực và cấp thoát nước trong nông nghiệp, ĐH Nông nghiệp, 2005. [6]. Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Ngọc Tảo, Thủy lực, ĐH Thủy lợi, 2007. [7]. Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Ngọc Tảo, Bài tập thủy lực, ĐH Thủy lợi, 2007. NỘI DUNG MÔN HỌC  Chương 1: Mở đầu  Chương 2: Tĩnh học của chất lỏng  Chương 3: Cơ sở động lực học chất lỏng  Chương 4: Tổn thất thủy lực  Chương 5: Dòng chảy qua lỗ và vòi – Dòng tia  Chương 6: Dòng chảy ổn định trong ống có áp  Chương 7: Dòng chảy đều trong kênh hở Chương 1: Mở đầu 3NỘI DUNG CHƯƠNG 1 1.1. Nội dung môn học 1.2. Sơ lược lịch sử phát triển môn thủy lực 1.3. Khái niệm về chất lỏng trong thủy lực 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của chất lỏng 1.5. Lực tác dụng 1.1. Nội dung môn học  Thủy lực là 1 môn Khoa học → quy luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng và ứng dụng chúng vào thực tiễn. → Môn khoa học ứng dụng và rất cần thiết cho các cán bộ kỹ thuật.  Nội dung môn học: Thủy tĩnh và thủy động. → Đây là môn học cơ sở cho các ngành KT: cấp thoát nước, thủy lợi, môi trường,… 1.2. Sơ lược lịch sử phát triển môn thủy lực  Thủy lực có lịch sử phát triển rất lâu đời, từ khi con người biết lợi dụng sức nước để phục vụ sinh hoạt, nông nghiệp, thủy lợi,…  Acsimet (250 TCN) là nhà bác học đầu tiên đặt nền móng về thủy lực thông qua định luật về vật nổi.  Sang TK 18, 19 thủy lực đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là từ khi xuất hiện định luật Becnoulli. 41.2. Sơ lược lịch sử phát triển môn thủy lực  Sau đó thủy lực tiếp tục phát triển và nhiều nhà khoa học đã có những công trình nghiên cứu hết sức quan trọng: Sêdi, Đácxi, Raynolds, Giucốpski,… 1.3. Khái niệm về chất lỏng trong thủy lực  Chất lỏng có mối liên hệ cơ học giữa các phân tử trong nó rất yếu nên chất lỏng có tính dễ di động, dễ chảy (tính chảy).  Do khoảng cách giữa các phần tử chất lỏng rất nhỏ → sức dính rất lớn làm cho chất lỏng giữ được thể tích không đổi khi bị thay đổi áp lực, nhiệt độ (chống lại sức nén).  Chất lỏng còn được coi là chất chảy dạng hạt. 1.3. Khái niệm về chất lỏng trong thủy lực  Trong thủy lực, chất lỏng được coi như môi trường liên tục → chỉ nghiên cứu những vận động cơ học của chất lỏng dưới tác dụng của ngoại lực. → Trong môn thủy lực, các nghiên cứu và tính toán được dựa trên giả thuyết cơ bản là có tính liên tục, tính chảy và tính không nén được. 51.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL a. Khối lượng:  Biểu thị bằng khối lượng đơn vị (ρ – KL riêng)  Đối với chất lỏng đồng nhất, KL đơn vị được tính bằng tỷ số khối lượng (M) và thể tích (V):  Đvới nước, KL đơn vị lấy bằng khối lượng của đơn vị thể tích nước cất ở +40C, ρ = 1000 kg/m3 3/, mkg V M = 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL b. Trọng lượng:  Biểu thị bằng trọng lượng đơn vị (γ – TL riêng)  Đối với chất lỏng đồng nhất, TL đơn vị được tính bằng tích số của KLR (ρ) với gia tốc rơi tự do (g = 9,81m/s2):  Trong đó: G – Trọng lượng  Đvới nước, ở +40C, γ= 9810 N/m3 3/,.. mN V Gg V Mg ===  1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và nhiệt độ:  Hầu như CL không thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và nhiệt độ.  Khi thay đổi áp suất:  Trong đó: βw – hệ số co thể tích; dW – độ giảm thể tích tương ứng với độ tăng áp suất dp. Nm dp dW Ww /,.1 2−= 61.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và nhiệt độ:  Trong phạm vi: p = 1 – 500at và t = 0 – 200C thì βw =0,00005cm2/kG ~ 0  Mô đun đàn hồi (K): 2/,.1 mN dW dpWK w −==  1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và nhiệt độ:  Khi thay đổi nhiệt độ:  Trong đó: βt – hệ số dãn nở vì nhiệt; dW – độ biến đổi thể tích W ứng với sự tăng nhiệt độ lên 10C.  T= 4 – 100C, p = const → βt = 0,000015 0C-1 ~ 0 10 ,. 1 − = C dt dW Wt  Ví dụ 1: Noài aùp löïc goàm phaàn truï troøn coù ñöôøng kính d=1000mm, daøi l=2m; ñaùy vaø naép coù daïng baùn caàu. Noài chöùa ñaày nöôùc vôùi aùp suaát p0. Xaùc ñònh theå tích nöôùc caàn neùn theâm vaøo noài ñeå taêng aùp suaát trong noài töø p0=0 ñeán p1=1000at. Bieát heä soá neùn cuûa nöôùc laø βp=4,112.10-5 cm2/kgf=4,19.10-10 m2/N. Xem nhö bình khoâng giaûn nôû khi neùn. 7Ví dụ 2: Daàu moû ñöôïc neùn trong xi lanh baèng theùp thaønh daøy tieát dieän ñeàu nhö hình veõ. Xem nhö theùp khoâng ñaøn hoài. Coät daàu tröôùc khi neùn laø h=1,5 m vaø möïc thuyû ngaân naèm ôû vò trí A-A. Sau khi neùn, aùp suaát taêng töø 0 at leân 50 at, thì möïc thuyû ngaân dòch chuyeån leân moät khoaûng Δh=4 mm. Tính suaát ñaøn hoài cuûa daàu moû 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL d. Sức căng mặt ngoài:  CL có khả năng chịu được ứng suất kéo không lớn tác dụng lên mặt tự do, phân chia CL với chất khí hoặc mặt tiếp xúc CL với chất rắn.  Sự xuất hiện sức căng mặt ngoài của CL là để cân bằng sức hút của CL tại vùng lân cận mặt tự do vì ở phần này sức hút giữa phân tử CL không cân bằng nhau như ở vùng xa mặt tự do → CL có khuynh hướng giảm nhỏ diện tích mặt tự do 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL d. Sức căng mặt ngoài: → làm mặt tự do có độ cong nhất định.  Sức căng mặt ngoài được biểu thị bằng hệ số σ – biểu thị sức kéo dính trên một đơn vị dài của đường tiếp xúc, phụ thuộc: nhiệt độ và bản chất của CL.  Trong đa số trường hợp thủy lực, không xét đến ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài vì trị số nhỏ so với những lực khác. 81.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL e. Tính nhớt:  Rất quan trọng → nguyên nhân gây tổn thất NL khi CL chuyển động.  Tính nhớt (υ) là biểu thị sức dính của các phân tử CL. Tính nhớt giảm khi tăng nhiệt độ.  Trong đó: υ–độ nhớt động học (m2/s hoặc cm2/s (Stock); μ–độ nhớt động lực học; ρ–khối lượng riêng. ,  = 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL e. Tính nhớt:  1886, Newton đã đưa ra định luật ma sát: sức ma sát giữa các lớp CL chuyển động tỷ lệ thuận với diện tích tiếp xúc của các lớp ấy, không phụ thuộc vào áp lực mà phụ thuộc vào vận tốc và loại chất lỏng.  CL nào tuân theo định luật này gọi là chất lỏng Newton (CL thực). Môn thủy lực nghiên cứu chất lỏng Newton. 1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL f. Chất lỏng lý tưởng:  Là CL không có tính nhớt (hoàn toàn khồn có ma sát trong chuyển động).  Khi nghiên cứu CL tĩnh: không cần phân biệt chất lỏng lý tưởng và CL thực.  Khi nghiên cứu CL chuyển động: từ chất lỏng lý tưởng sang CL thực cần tính thêm ảnh hưởng của sức ma sát trong (tính nhớt). 91.5. Lực tác dụng a. Lực thể tích: (lực khối lượng)  Là lực tác dụng lên tất cả các phần tử trong khối chất lỏng đang xét.  Trong điều kiện phân bố điều của lực thể tích thì lực này tỷ lệ với thể tích của CL.  Trọng lượng, lực quán tính,… là lực thể tích. 1.5. Lực tác dụng b. Lực mặt: (lực bề mặt)  Lực tác dụng lên mặt giới hạn khối chất lỏng đang xét.  Trong điều kiện phân phối điều, lực này tỷ lệ với diện tích.  Lực ma sát, áp lực không khí tác dụng lên mặt tự do của CL là lực mặt.