Bài giảng cơ học chất chương 1 pgs ts lê song giang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp HCM

BÀI GIẢNG

CƠ LƯU CHẤT

(CI2003)

PGS.TS. LÊ SONG GIANG
Bm CƠ LƯU CHẤT
P. 304 B4


1

hông tin cần biết Pgs.Ts

iệu tham khảo: 2
Giáo trình Cơ lưu chất (Bm. CLC)
Bài tập Cơ lưu chất (Bm. CLC)

và kiểm tra:
Hình thức: trắc nghiệm
Nội dung: gồm các câu hỏi lý thuyết và bài toán;
Thời gian:

• Kiểm tra: 50 phút;
• Thi: 90 phút

Tài liệu: Đề mở (1 tờ A4)

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tĩnh học
Chương 3: Động học
Chương 4: Động lực học
Chương 5: Dịng chảy ổn định trong ống có áp
Chương 6: Dòng chảy đều trong kênh hở
Chương 7: Chuyển động phẳng có thế
Chương 8: Lớp biên, lực cản, lực nâng

3

Chương 1. MỞ ĐẦU
1. Định nghĩa, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
2. Các tính chất vật lý của lưu chất
3. Lực tác dụng trong lưu chất

4

. ĐỊNH NGHĨA MÔN HỌC, ĐỐI TƯỢNG VÀ PP N.CỨU (1/2) Pgs.Ts
.1 Định nghĩa môn học

Cơ Lưu Chất: Môn khoa học thuộc lĩnh vực Cơ học nghiên
cứu trạng thái tĩnh và chuyển động của chất lỏng, chất khí
và sự tương tác của nó với các vật thể khác

Cơ lý thuyết
Cơ học vật rắn biến dạng.

Cơ học đất
Cơ lưu chất

...
Thuỷ lực

Khí động lực học
…

CƠ HỌC CỔ ĐIỂN

3 Định luật Newton

3 Định luật bảo toàn 5

. ĐỊNH NGHĨA MÔN HỌC, ĐỐI TƯỢNG VÀ PP N.CỨU (2/2) Pgs.Ts

.2 Đối tương nghiên cứu

Chất lỏng và chất khí.

Tính chất:

• Tính chảy -> Chất chảy được -> Lưu chất

• Tính khơng chịu lực cắt, lực kéo

Khác biệt giữa chất lỏng và chất khí là ở tính nén được, nhưng chỉ có ý nghĩa khi vận tốc đủ lớn (V > 0.

-> Khí động lực học: cho chất khí nén được

.3 Phương pháp nghiên cứu
Bài tốn Cơ lưu chất

Các Định luật cơ học Phương trình mơ Giải u, p…
Đối tượng lưu chất
tả

Phương pháp nghiên cứu = Phương pháp giải: -> Phương pháp giải tích
-> Phương pháp thực nghiệm

.4 Ứng dụng
Nơi nào có nước chảy, có gió thổi và ta muốn biết nước chảy và gió thổi như thế nào, ở đó có Cơ Lư6u C

. CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA LƯU CHẤT (1/3) Pgs.Ts
.1 Khối lượng riêng ()

Khối lượng riêng: là khối lượng của một đơn vị thể tích lưu chất

Δm A
ρ  lim
V, m
ΔV 0 ΔV

Trọng lượng riêng:   g Đ.lượng Nước K.khí T.ngân
Tỷ trọng:     nước , kg/m3 1000 1,228 13,6.10
, N/m3 9,81.103 12,07 133.10

.2 Suất Đàn hồi (E)
Đặc trưng cho tính nén được của lưu chất:

P

E   lim Δp  V dp

V ΔV 0 ΔV V0 dV
p

Đối với chất khí: phương trình khí lý tưởng

pV  nRT (R=8.314472 J.K-1mol-1)

Hoặc p  RspecificT (Rspecific= R/M =287.058 J.kg-1.K-1 cho k.khí khô) 7

. CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA LƯU CHẤT (2/3) Pgs.Ts

.3 Độ nhớt (, )

Đặc trưng cho ma sát giữa các phần tử lưu chất trong chuyển động

Định luật Newton về ma sát: y

  du   const u

dy 

dy du

Độ nhớt động học:   

Hai loại lưu chất: Newton và phi Newton

 Lưu chất phi Newton

Lưu chất Newton

Lưu chất phi Newton Đ.lượng Nước K.kh
0 , poise 1.10-2 1,8.10
, stoke 0,01
du/dy 0,15

8

. CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA LƯU CHẤT (3/3) Pgs.Ts
.4 Sức căng bề mặt ()
9
Giả thiết tồn tại một màng mỏng trên bề mặt chất lỏng với sức căng σ

d 4  cos 

d h
h
d

 h

.5 Áp suất hơi bão hòa (pV)

Áp suất hơi: là phần áp suất của chất khí do các phần tử hơi gây ra.

Áp suất hơi bão hòa: Áp suất hơi ở trạng thái mà quá trình bay hơi và ngưng tụ
cân bằng (bão hòa)

Hiện tượng sủi và vỡ bọt hơi: p

• sủi bọt -> Đứt đoạn chân không Bắt đầu sủi bọt
• vỡ bọt -> khí thực

pV

Bắt đầu vỡ bọt

. LỰC TÁC DỤNG TRONG LƯU CHẤT (1/2) Pgs.Ts
.1 Lực tác dụng:

Lực tác dụng chỉ duy nhất là lực phân bố
Hai loại lực:

• Nội lực
• Ngoại lực

Nội lực có thể trở thành ngoại lực. Tuy nhiên ta sẽ thường bỏ qua
nội lực.
Ngoại lực gồm lực khối và lực mặt

3.2 Lực khối

Định nghĩa: Là ngoại lực tác dụng lên mọi phần tử của thể tích lưu chất và tỷ lệ với khối lượng lưu chấ



Thông số: F - vector cường độ lực khối.

 

F  lim f A

V0 V V, V


Ví dụ:   f
• Trọng lực: Fg


• Lực quán tính: F  a
 2  10
• Lực ly tâm: F   r

. LỰC TÁC DỤNG TRONG LƯU CHẤT (2/2) Pgs.Ts

.3 Lực mặt

Định nghĩa: Là ngoại lực tác dụng lên thể tích lưu chất thơng qua bề mặt bao bọc và tỷ lệ với diện t

mặt.  
Thông số:
 - vector ứng suất. f

 A S

 f
  lim

S0 S





Ví dụ: - áp suất p  p   n  n

- ứng suất ma sát 

z

Tensor trạng thái ứng suất

 xx  xy  xz 

    yx  yy    ij   ji  yz  x

 zx  zy  zz 


 x

 11

y 

z

3. LỰC TÁC DỤNG TRONG LƯU CHẤT (2/2) Pgs.Ts

Tính tốn ứng suất trên mặt bất kỳ: z

       n

 f  m.a  V .F  S x x  S y y  S z z  S n n  V .a n

V  S x  S y  S z   V  
 .F   x   y   z   n   .a
S n S n S n S n S n 

 0 -nx -ny -nz 0 
z
   
 n   xnx   yny   znz 12
(1) 
y

Trạng thái ứng suất cầu:

Khi  = 0  xx 0 0 

      yy 0 

    zz  x

   

(1) =>  n   xxi .nx   yy j.ny   zzk .nz (2)

  
Cách khác:  n   nn   n nxi  ny j  nzk  (3)

(2) và (3) =>  xx   yy   zz   n

VÍ DỤ Pgs.Ts

Ví dụ: Một thùng kín có thể tích là V=100l chứa đầy nước. Hỏi thể tích nước V’ cần nén thêm vào bình là
nhiêu để áp suất trong bình tăng thêm Δp=100at? Biết suất đàn hồi của nước là E=2,2.109N/m2 và hệ số
nở thể tích thùng là α=0,01%/at.

Giải

Thể tích nước ban đầu: =>
V0=V+V’
V Δp
Thể tích nước sau khi nén thêm:
V1=V(1+αΔp) V’

Thay đổi thể tích nước: V0=V+V’ V1=V(1+αΔp)
ΔV=V1-V0=αΔpV-V’

Từ pt trạng thái:

dp p p  V   V p1 E
E  V  V0  V V '
dV V p.V V  E  p

Thay số:  4 1 4

100at11.10 2,24.10 at 
at
 V   100l    1,45l 13

4
2,24.10 at 100at

VÍ DỤ Pgs.Ts

Ví dụ: Một bình kín có thể tích là V=15 lít chứa khí nén. Ban đầu bình có áp suất p0=12at. Sau một thời gi
dụng áp suất trong bình cịn p1=3at. Hỏi thể tích khí đã sử dụng (tính ở áp suất khí trời)?

Giải

Xem sơ đồ bài tốn trên hình vẽ. W V0, pa W, pa
V1, pa
V, p

chính là thể tích khí đã sử dụng tính ở 0
áp suất khí trời:

V, p1

Sử dụng pt trạng thái khí:
pV=const

Tính được: V0  V p0  pa  15l 12at 1,02at  191,5l

pa 1,02at

V1  V p1  pa  15l 3at 1,02at  59,1l
pa 1,02at

Thể tích khí đã sử dụng: 14
W = V0 - V1 = 191,5l - 59,1l = 132,4l

VÍ DỤ Pgs.Ts
Ví dụ: Nhớt (có ρ=980kg/m3; μ=12 poise) chảy trên một mặt phẳng
y
nghiêng với góc α=30o. Biết bề dày lớp nhớt là t=2mm, hỏi vận
tốc chuyển động của lớp nhớt. l
Giải t

Xét một phần tử nhớt hình khối hộp chữ nhật dài l, rộng b, có y Gs
đáy song song với mặt phẳng nghiêng và ở độ cao y. Đáy của
phần tử chính là mặt trượt. τ

G (ρ,

α

Phần tử chuyển động đều nên: Fms=Gs

Phân tích: du du

Fms   .l.b   .l.b   .l.b 

dy dy   du  g.sin  t  ydy

Gs  G.sin   g.l.b.t  ysin   



P.trình cho lời giải:

 y  y 2  g sin.t 2

 3
u  umax 2     Với umax   8,01.10 m / s
 t  t   15
2