Cht1-Introduction--Gioithieu potx

Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
Cơ Lưu Chất – Fluid Mechanics
Hồ Xuân Thịnh (PhD)
Học Kỳ I, năm học 2010—2011
Địa chỉ: BM Cơ Lưu Chất, P.304 B4
Email:
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
Một số thông tin về môn học
•
Tổng số tiết: 45; 3 tiết/tuần; 3 tín chỉ
•
Thi trắc nghiệm, được tham khảo tài liệu
•
Thi Giữa HK (20% điểm) và thi Cuối HK (80% điểm)
•
Điểm thi Giữa HK: 6LT x 0.6 + 4BT x 2.4 = 13.2 điểm
•
Điểm thi Cuối HK: 12LT x 0.3 + 8BT x 1.2 = 13.2 điểm
•
Tài liệu tham khảo:
1. Giáo Trình Cơ Lưu Chất. Tác giả: Bộ Môn Cơ Lưu Chất, Trường ĐHBK Tp
HCM.
2. Cơ Lưu Chất – Tóm tắt Lý thuyết và Bài tập. Tác giả: Nguyễn Thị Phương và
Lê Song Giang.
3. Tuyển tập các Bài toán Cơ Lưu Chất. Tác giả: Bộ Môn Cơ Lưu Chất, Trường
ĐH Bách Khoa Tp HCM.
4. Fluid Mechanics. Tác giả: FM White. McGraw-Hill, 4ed (14 MB).
5. Basics of Fluid Mechanics. Tác giả: G Bar-Meir. Free Software Foundation
Inc., 2010 (3MB).

Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
Nội dung (Giáo Trình Cơ Lưu Chất)
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tĩnh học
Chương 3: Động học
Chương 4: Động lực học
Chương 5: Dòng chảy đều trong ống
Chương 6: Dòng chảy Thế (Thế lưu, potential flow)
Chương 7: Giới thiệu về Phân tích Thứ nguyên (Dimensional Analysis) và
Đồng dạng (Similarity) – Nếu có thời gian 
Thi Giữa HK: chương 1, 2 và 3
Thi Cuối HK: chương 1, 2, 3, 4, 5 và 6
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
Chương 1: Mở đầu
1. Giới thiệu:
•
Mục đích: Nghiên cứu các nguyên lý ứng xử cơ học của lưu chất ở cả hai trạng
thái Tĩnh và Động
•
Lưu chất: chủ yếu là chất lỏng và chất khí, ngoài ra còn có plasma
•
Đặc tính của lưu chất:
-
Liên tục:
 chất khí chiếm toàn bộ không gian chứa nó, chất lỏng có thể tích nhất định
 chất khí không có bề mặt tự do (mặt thoáng, free surface)
 chất khí dễ nén hơn chất lỏng (vd: p tăng 1000%, thể tích nước giảm <1%)
-

Chảy được:
 lưu chất không có khả năng chống lại lực cắt (shear force)
 dưới tác dụng của lực cắt, lưu chất biến dạng liên tục và mãi mãi (chảy),
chất rắn biến dạng trong một giới hạn và không thay đổi theo thời gian
 lưu chất không thể quay lại trạng thái ban đầu sau khi biến dạng
 ở trạng thái đứng yên, không có lực cắt, chỉ (có thể) có lực vuông góc
1/10
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
•
Phương pháp nghiên cứu:
-
Phương pháp giải tích
-
Phương pháp thực nghiệm
 có thể áp dụng các định luật Cơ học của Newton và các định luật bảo toàn trong
cơ học cổ điển
•
Một số ứng dụng liên quan đến lưu chất hay Cơ học lưu chất:
-
Đê và Đập nước
-
Mạng ống phân phối nước sạch và hệ thống cống rãnh
-
Máy bơm và tuabin (nước, khí)
-
Lò phản ứng hóa học (các quá trình phản ứng hóa học)
-
Khai thác và vận chuyển dầu và khí
-

Dòng chảy của không khí trong/quanh các tòa nhà, quanh thân/cánh máy bay
-
Dự báo thời tiết, sự biến đổi khí hậu, sự phun trào núi lửa
-
Dòng chảy của nước ngầm trong lòng đất
-
Dòng chảy của máu trong cơ thể con người
2/10
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
•
Đơn vị SI (Sytème International d’unités):
Bảy đơn vị cơ bản (base/primary units) trong SI:
Đại lượng Đơn vị SI Thứ nguyên
Chiều dài (Length) m L
Khối lượng (Mass) kg M
Thời gian (Time) s T
Nhiệt độ (Temperature) K
θ
Cường độ dòng điện (Current
density)
A I
Cường độ ánh sáng
(Luminosity)
candela Cd
Lượng chất (Amount of
Substance)
mol n

Trong Cơ lưu chất, 4 đơn vị đầu tiên thường được sử dụng.

 Đơn vị dẫn xuất (derived/secondary units). Vd: Lực: kgm/s
2
3/10
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
Đại lượng Đơn vị SI Thứ nguyên
Vận tốc ms
-1
LT
-1
Gia tốc ms
-2
LT
-2
Lực N, kgms
-2
MLT
-2
Năng lượng / công J, Nm, kgm
2
s
-2
ML
2
T
-2
Công suất W, Nms
-1
, kgm
2

s
-3
ML
2
T
-3
Áp suất / ứng suất Pa, Nm
-2
, kgm
-1
s
-2
ML
-1
T
-2
Khối lượng riêng kgm
-3
ML
-3
Trọng lượng riêng Nm
-3
, kgm
-2
s
-2
ML
-2
T
-2

Tỷ trọng / tỷ khối — 1
Độ nhớt động lực học Pa.s, Nm
-2
s, kgm
-1
s
-1
ML
-1
T
-1
Sức căng bề mặt Nm
-1
, kgs
-2
MT
-2
Đơn vị và thứ nguyên của một số đại lượng thường gặp trong Cơ lưu chất:
4/10
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
2. Một số tính chất vật lý cơ bản của lưu chất
•
Khối lượng riêng: Đơn vị: kg/m
3
; Thứ nguyên: ML
-3
.
V
m

V
∆
∆
=
→∆
lim
0
ρ
ρ
của nước là 998.2 kg/m
3
, không khí 1.2 kg/m
3
và thủy ngân 13.6 x 10
3
kg/m
3
ở
điều kiện thường.
•
Trọng lượng riêng: Đơn vị: N/m
3
, kg/m
2
/s
2
; Thứ nguyên: ML
-2
T
-2

.
g
ργ
=
(g = 9.81 m/s
2
ở điều kiện trên mặt Đất)
•
Tỷ trọng hay tỷ khối:
khi g là hằng số
•
Thể tích riêng: Đơn vị: m
3
/kg.
nn
ρ
ρ
γ
γ
δ
==
ρ
1
=
s
W
5/10
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
•

Tính nén được (compressibility):
dV
dp
VK −=

K: suất đàn hồi (bulk modulus), p: áp suất và V: thể tích. Công thức trên áp
dụng trong điều kiện nén đoạn nhiệt hay đẳng nhiệt.
- Áp suất p: Đơn vị: Pascal (Pa), N/m
2
, kg/m/s
2
.
•
1 Pa = 1 N/m
2
•
1 bar = 10
5
N/m
2
•
1 at = 1 kgf/cm
2
= 10m nước = 735mm Hg = 9.81 x 10
4
N/m
2
- K (N/m
2
) ~ áp suất và nhiệt độ. Tuy nhiên sự thay đổi là rất nhỏ  hằng số.

- Ở điều kiện thường, K = 2.2 x 10
9
N/m
2
.
- K thường được áp dụng cho chất lỏng. Với chất khí, sử dụng pt khí lý tưởng:
nRTpV =
T
M
R
p
ρ
=
hay
 p (N/m
2
), V (m
3
), n (mol), T (Kelvin), M (kg/mol),
ρ
(kg/m
3
), R = 8.314 J/(K.mol)
6/10
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
•
Tính nhớt (viscosity):
-
Vận tốc tại điểm A trên thành rắn u = 0

-
Vận tốc tăng dần khi ra xa thành rắn. Tuy nhiên tới
một giới hạn nhất định, vận tốc không tăng  các
lớp lưu chất không trượt lẫn nhau  không lực cắt.
-
Ứng suất ma sát (cắt, shear stress):
u
y
wall
u=0
No shear
force region
A
dy
du
µτ
=
Trong đó,
τ
là ứng suất (N/m
2
), du/dy là sự thay đổi vận tốc theo khoảng cách
(gradient vận tốc) và
µ
là hệ số nhớt động lực học (dynamic viscosity).
Pt trên còn được gọi là định luật nhớt của Newton.
- Nếu
µ
= constant  lưu chất Newton (Newtonian fluid).
- Nếu

µ
≠ constant  phi Newton (Non-Newtonian fluid).
7/10
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
Quan hệ giữa
τ
và du/dy đối
với các loại lưu chất khác
nhau:
n
dy
du
BA








+=
τ
- Độ nhớt động học (Kinematic viscosity):
ρ
µ
ν
=
-

Độ nhớt thay đổi theo áp suất và nhiệt độ.
-
Chất khí: T tăng  độ nhớt tăng. Không phụ thuộc nhiều vào áp suất.
-
Chất lỏng: T tăng  độ nhớt giảm. p tăng  độ nhớt tăng.
Ở điều kiện thường,
µ
của nước là 10
-3
kg/m/s, của không khí là 1.8 x 10
-5
kg/m/s.
8/10
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
•
Áp suất hơi:
-
p hơi bão hòa ≥ p môi trường  hiện tượng sinh bọt khí (cavitation)
-
Bọt khí vỡ  lực tác dụng lên thiết bị  bào mòn (xâm thực, erosion)
•
Sức căng bề mặt và hiện tượng mao dẫn
Lực hút do sức căng bề mặt (
σ
):
d
πθσ
)cos(
Trọng lực của cột chất lỏng có chiều cao h:

h
d
g
4
2
π
ρ

gd
h
ρ
θσ
cos4
=
θ = 0 trong hệ thống nước—khí—ống thủy tinh.
9/10
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn
3. Lực tác dụng lên lưu chất
•
Nội lực
•
Ngoại lực
-
Lực mặt: ma sát, lực do áp suất khí quyển trên mặt thoáng
-
Lực khối: trọng lực, lực quán tính,…
10/10
Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Hochiminh city University of Technology www.hcmut.edu.vn

Ví dụ & Bài tập