Bài giảng Cơ học chất lỏng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước
Bộ môn Thủy Lực

BÀI GIẢNG
CƠ HỌC CHẤT LỎNG


Bộ môn Thủy Lực

CHƯƠNG I
MỞ ĐẦU

1


NỘI DUNG MƠN HỌC
Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Các tính chất của chất lỏng
Chương 3: Thuỷ tĩnh
Chương 4: Cơ sở thuỷ động học
Chương 5: Năng lượng trong dòng chảy ổn định
Chương 6: Động lượng và các lực tác dụng

Chương 8: Dịng chảy ổn định có áp trong đường ống
Chương 10: Dòng chảy ổn định, đều trong lòng dẫn hở

Chương 12: Dịng chảy qua lỗ, vịi
Chương 14: Các vấn đề tốn học của chất lỏng lý tưởng
* Các bài thí nghiệm trong Phịng thí nghiệm thủy lực

Mở đầu

2


GIÁO TRÌNH VÀ TÀI LIỆU
THAM KHẢO
1.

Finnemore E.J. & Franzini J. B. Cơ học chất lỏng dùng cho các
ngành kỹ thuật, bản dịch tiếng Việt, Hà Nội 2009.

2.

Vũ Văn Tảo, Nguyễn Cảnh Cầm, Thuỷ lực tập 1, Nhà xuất bản
Nông nghiệp, Hà Nội 2006.

4. Hoàng Văn Quý, Nguyễn Cảnh Cầm, Bài tập Thuỷ lực tập 1, Nhà
xuất bản Xây dựng, Hà Nội 2005.
5. Bài giảng Cơ học chất lỏng. Bộ môn Thủy lực.
6. Báo cáo thí nghiệm Cơ học Chất lỏng. Bộ môn Thủy lực.
Mở đầu

3


Giáo trình

Tài liệu
tham khảo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
BỘ MƠN THỦY LỰC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
BỘ MÔN THỦY LỰC

BÀI GIẢNG

CƠ HỌC CHẤT LỎNG
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

CƠ HỌC CHẤT LỎNG
LƯU HÀNH NỘI BỘ

HÀ NỘI

Mở đầu

HÀ NỘI

4


ĐÁNH GIÁ MƠN HỌC
Đánh giá điểm q trình (30%)
Gồm có:
- Học tập trên lớp: 30%

- Thí nghiệm:

20%

- Các bài kiểm tra: 50%

• Thi cuối kỳ: 70%
Điều kiện dự thi hết môn:
- SV phải đi học đủ 80% số tiết;
- 50% bài kiểm tra đạt yêu cầu.

Mở đầu

5


§1.1 Đối tượng và vị trí mơn học
1.1.1 Định nghĩa mơn học
Cơ học thủy khí là mơn khoa học nghiên cứu những quy luật cân
bằng và chuyển động của chất lỏng và chất khí, đồng thời đề ra
biện pháp ứng dụng những quy luật này vào thực tiễn phục vụ
đời sống con người.
Đối tượng nghiên cứu của môn Cơ học chất lỏng là các chất lỏng
thường gặp trong thực tế.

1.1.2 Phạm vi ứng dụng của môn học
Kiến thức của môn cơ học chất lỏng được ứng dụng trong nhiều
ngành khác nhau như: Thuỷ lợi, giao thông, xây dựng, máy và
thiết bị máy, cấp thoát nước .v.v..
Mở đầu

6

1.1.3 Nội dung nghiên cứu
a. Thuỷ tĩnh nghiên cứu chất lỏng ở trạng thái đứng yên cân bằng
(hay trạng thái tĩnh);
b. Động học nghiên cứu về quy luật chuyển động của chất lỏng,
được thể hiện bằng vận tốc, gia tốc, đường dịng… mà khơng xét
đến lực tác dụng hoặc năng lượng;
c. Thuỷ động lực học nghiên cứu sự chuyển động của chất lỏng có
xét đến các lực tác dụng, năng lượng, động lượng.

1.1.4 Phương pháp, mục đích nghiên cứu
Kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết với thí nghiệm và
thực hành kỹ năng, giúp người học giải quyết được các vấn đề
thực tế.

Mở đầu

7


§1.2 Sơ lược lịch sử phát triển môn học
1.2.1 Thời kỳ cổ đại
Người La Mã; Người Hy Lạp (Archimedes) …

1.2.2 Thời kỳ cận đại
Nghiên cứu Leonardo da Vinci (1452 - 1519), …

Isaac Newton (1642 - 1727), …

1.2.3 Thời kỳ hiện đại:
Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các quy luật đã có để giải quyết
những vấn đề thực tế (sẽ được trình bày kỹ ở các phần sau).
Mở đầu

8


§ 1.3 Phương pháp học môn Cơ học

chất lỏng
Những việc cần làm để học tốt môn Cơ học chất lỏng:
- Học các kiến thức cơ bản qua bài giảng và giáo trình; sinh viên
ngồi việc học trên lớp cịn phải tự đọc sách để nắm vững kiến
thức trong bài giảng, giáo trình.
- Thực hành để phát triển kỹ năng bằng cách giải các bài tập, làm
thí nghiệm và viết báo cáo, chú ý đến đơn vị đo của các đại lượng.
Việc thực hành, viết báo cáo thí nghiệm là phương pháp tốt giúp
sinh viên hiểu rõ bản chất các hiện tượng thuỷ lực và củng cố kiến
thức, đồng thời rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề.

Mở đầu

9


§ 1.4 Thứ nguyên và đơn vị
1. Đơn vị: Trong giáo trình mơn học có hai hệ đơn vị:
- Hệ đơn vị đo lường Anh (BG) (British Gravitational system)
dùng các đơn vị của Anh;

- Hệ đơn vị SI (Système Internationale d’Unites) dùng các đơn vị
mét, kg….
* Tại Việt nam đang dùng hệ đo lường SI

2. Các thứ nguyên
- Trong cơ học chất lỏng các thứ nguyên cơ bản là: chiều dài (L),
khối lượng (M), thời gian (T).
- Từ các thứ nguyên cơ bản này có thể tổng hợp được bất kỳ thứ
nguyên nào dùng trong cơ học chất lỏng.
Mở đầu

10


Thứ nguyên và đơn vị đo một số đại lượng
thường dùng trong cơ học chất lỏng
Thứ nguyên

Đơn vị BG

- Chiều dài (L)
- Khối lượng (M)
- Thời gian (T)
- Lực (F)

Foot (ft)
Slug (=lb.sec2/ft)
Giây (sec)
Pound (lb)

- Nhiệt độ ()
+ Tuyệt đối
+ Thông thường

Rankine (oR)
Fahrenheit (oF)

Đơn vị SI
Mét (m)
Kilogram (kg)
Giây (s)
Neuton (N)
(=kg.m/s2)

Kelvin (K)
Celsius (oC)
(Tham khảo ở phụ lục)

Mở đầu

11


Thứ nguyên
dùng phổ biến

Hệ đơn vị
BG

Hệ đơn vị
SI

LT-2

ft/sec2

m/s2

L2

ft2

m2

ML3

slug/ft3

kg/m3

FL

lb.ft

N.m =J

-Lưu lượng (Q)

L3T-1

ft3/sec (cfs)

m3/s

-Hệ số nhớt động học()

L2T-1

ft2/sec

m2/s

-Công suất

FLT-1

ft.lb/sec

N.m/s

-Áp suất (p)

FL-2

lb/in2 (psi)

N/m2 = Pa

-Trọng lượng riêng ()

FL-3

lb/ft3 (pcf)

N/m3

-Vận tốc (V)

FT-1

ft/sec (fps)

m/s

FTL-2

lb.sec/ft2

N.s/m2

L3

ft3

m3

Thứ nguyên
-Gia tốc (a)
-Diện tích (A)

-Khối lượng riêng (ρ)
-Năng lượng, cơng

-Hệ số nhớt động lực ()
-Thể tích ()

Mở đầu

12


Các bài tập chương I:
- Thứ nguyên trong các phương trình
- Học thuộc và Chuyển đổi các đơn vị đo lường

Mở đầu

13


Bộ mơn Thủy Lực

CHƯƠNG II
CÁC TÍNH CHẤT CỦA
CHẤT LỎNG

1


§2.1 Sự khác nhau giữa chất rắn và

chất lỏng
- Các phân tử của chất rắn thường gần nhau hơn so với các phân
tử của chất lỏng.

- Các lực hấp dẫn giữa các phân tử của chất rắn lớn đến mức duy
trì được hình dạng của nó.
- Trong chất lỏng lực hấp dẫn giữa các phân tử nhỏ hơn, chúng
chỉ đủ lớn để giữ cho các phân tử chất lỏng tạo thành một khối
mà khơng đủ lớn để giữ hình dạng của khối chất lỏng.
- Chất lỏng chỉ chịu được lực nén mà khơng chịu được lực cắt và
lực kéo.

Các tính chất của chất lỏng

2


§2.2 Sự khác nhau giữa chất khí và chất lỏng
- Các phân tử của chất khí cách xa nhau hơn so với chất lỏng, giữa
chúng khơng có lực hấp dẫn,
- Chất khí nén được rất nhiều và có thể giãn nở vơ hạn. Chất khí chỉ
cân bằng khi nó được chứa trong thể tích hồn tồn kín. Mật độ của
chất khí sẽ thay đổi đáng kể khi áp suất hoặc nhiệt độ thay đổi.
- Chất lỏng gần như không nén được, nếu loại bỏ tất cả áp suất thì
lực dính giữa các phân tử vẫn giữ chúng với nhau, vì thế chất lỏng
khơng giãn nở vơ hạn.
- Chất lỏng có tính liên tục và đẳng hướng
* Các phần tử chất khí và chất lỏng có tính dễ di động, tính chất này
gọi là tính chảy.
Các tính chất của chất lỏng

3


§2.3 Khối lượng riêng, trọng lượng riêng,
thể tích riêng và tỷ trọng
◼

◼

◼

◼
◼

◼

Khối lượng riêng ρ của một loại chất lỏng là khối lượng của
nó chứa trong một đơn vị thể tích.
Trong hệ SI đơn vị của ρ là kg/m3
Trọng lượng riêng  biểu thị trọng lực tác dụng lên một đơn vị
thể tích chất lỏng (là trọng lượng của một đơn vị thể tích).
Trong hệ SI đơn vị của  là N/m3
Trọng lượng riêng của chất lỏng phụ thuộc vào áp suất, nhiệt
độ và bản thân chất lỏng.
Mối liên quan giữa khối lượng riêng và trọng lượng riêng:

 = g (2.1)
Các tính chất của chất lỏng

4


- Thể tích riêng v là thể tích chứa một đơn vị khối lượng chất
lỏng
Thể tích riêng là nghịch đảo của khối lượng riêng

1
v=

- Tỉ trọng S của một chất lỏng là tỷ số giữa khối lượng riêng của
chất lỏng đó với khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ tiêu chuẩn
(S là số không thứ nguyên).

Schất lỏng

= chất lỏng /nước ở nhiệt độ tiêu chuẩn
Các tính chất của chất lỏng

(2.2)

5


§ 2.4 Chất lỏng nén được và chất
lỏng không nén được
Khi áp suất trong chất lỏng thay đổi, mà khối lượng riêng của
chất lỏng không thay đổi hoặc thay đổi khơng đáng kể thì chất
lỏng là khơng nén được.



Ngược lại, khi áp suất thay đổi làm cho khối lượng riêng của
chất lỏng thay đổi, thì chất lỏng là nén được.



Thơng thường chất lỏng được coi là không nén được


 = const

Các tính chất của chất lỏng

6


§ 2.5 Tính nén được của chất lỏng
Tính nén được của chất lỏng là tính chất thay đổi thể tích khi áp
suất trong chất lỏng thay đổi, nó tỉ lệ thuận với sự biến dạng thể
tích và được đặc trưng bởi mơdun đàn hồi thể tích.

dp
 v
E v = −v = −   dp
dv
 dv 

(2.3)

Trong đó: v - thể tích riêng và p - áp suất.
Đơn vị của Ev và p là như nhau.
Thực nghiệm đã chứng minh rằng tại một nhiệt độ nào đó mơ
đun đàn hồi thể tích của nước thay đổi khơng đáng kể khi áp
suất thay đổi trong một khoảng khá lớn (1000 at). Ta coi nước
làm việc ở điều kiện bình thường là khơng nén được.
Các tính chất của chất lỏng

7


§ 2.6 Tính nhớt
- Tính nhớt của một chất lỏng là đại lượng để đánh giá sức
cản của nó đối với sự dịch chuyển hoặc biến dạng góc.
- VD: Chúng ta có thể dễ dàng di chuyển xun qua khơng
khí, nơi có tính nhớt rất thấp. Trong nước, sự di chuyển sẽ
khó khăn hơn vì nước có tính nhớt cao gấp 50 lần khơng
khí.

-

Sức cản của dầu SAE 30 cịn cao hơn nữa, vì nó có độ nhớt
gấp 300 lần so với nước.

Các tính chất của chất lỏng

8


- Các lực cản (lực ma sát) trong chất lỏng khi chuyển động được

sinh ra do tính kết dính và sự trao đổi động lượng giữa các phân tử
chất lỏng. Tính nhớt của các chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ, và
bản thân chất lỏng.
- Phương trình ma sát trong của Newton:  = F =  U =  du

A

Hằng số tỉ lệ:

Y

dy


=
du / dy

μ được gọi là hệ số nhớt (độ nhớt tuyệt đối, độ nhớt động lực
đơn vị của μ là:
N.s/m 2

Các tính chất của chất lỏng

học);

9


* Trong kỹ thuật còn dùng hệ số nhớt động học 


=


Đơn vị của  là cm2/s, còn được gọi là stoke (St)

- Chất lỏng có hệ số nhớt μ không thay đổi theo tốc độ biến dạng
được gọi là chất lỏng Newton.
- Chất lỏng phi Newton là chất lỏng có hệ số  thay đổi theo tốc độ
biến dạng. Những chất lỏng này không phổ biến nhiều trong kỹ
thuật (VD: sơn, mực in, gel và nhũ tương, bùn và các chất huyền
phù, chất dẻo)
* Trong điều kiện bình thường, chỉ xét chất lỏng tn theo phương
trình tính nhớt của Newton.
Các tính chất của chất lỏng

10


Mối liên quan giữa ứng suất và gradient lưu tốc

11

Các tính chất của chất lỏng

11