BÀI GIẢNG THỦY lực cơ sở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT-CƠ SỞ ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN

BÀI GIẢNG
THỦY LỰC CƠ SỞ

GV. VŨ THẾ TRUYỀN

Thái Nguyên 8/2015


THỦY LỰC CƠ SỞ
Số tín chỉ : 02 – 29 tiết lý thuyết+1 tiết kiểm tra
-Mục tiêu của học phần:
- Kiến thức: Trang bị kiến thức về tĩnh học, động học và
động lực học của chất lỏng
Kỹ năng: Thiết lập các PT tĩnh học, động lực học của
chất lỏng; tính toán được các đặc trưng thuỷ lực của
dòng chảy, tổn thất năng lượng và ống đơn giản
Nhiệm vụ của sinh viên:
- Nghiên cứu trước giáo trình, tài liệu học tập.
- Tham gia đầy đủ các giờ lên lớp.
- Tham gia kiểm tra giữa kỳ và thi kết thúc học phần.


.Tài liệu học tập:
- Sách, giáo trình chính:
[1].Phùng Văn Khương, Phạm Văn Vĩnh (2001)-Thuỷ
lực và máy thuỷ lực, Trường ĐH Giao thông Vận tải
[2]. Phùng Văn Khương, Phạm Văn Vĩnh (1999) - Bài
tập Thuỷ lực chọn lọc, NXB Giáo dục
- Sách tham khảo:

[3]. Vũ Duy Quang, Phạm Đức Nhuận ( 2009), Giáo
trình Kỹ thuật thuỷ khí, NXB Khoa học và kỹ thuật
[4]. R. comulet (1993), Mecamique experimatabe des
Flaires, Masnon
10. Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên:
- Điểm chuyên cần:
10%
- Điểm kiểm tra giữa kỳ:
20%
- Điểm thi cuối kỳ:
70%


NỘI DUNG
Chương 1: Những vấn đề cơ bản về thuỷ lực
Chương 2: Tĩnh học chất lỏng
Chương 3: Động học và động lực học chất lỏng
Chương 4: Tổn thất năng lượng trong dòng chảy
Chương 5: Dòng chảy qua lỗ, vòi - Dòng chảy
không dừng - Tính toán thuỷ lực đường ống
Chương 6: Lực tác động lên vật ngập trong chất
lỏng chuyển động


Chương 1: Những vấn đề cơ bản về thủy lực
NỘI DUNG
1.1. Khái niệm chung
1.2. Tính chất vật lý của chất lỏng; các loại
lực tác dụng trong chất lỏng

Chương 1: Những vấn đề cơ bản về thủy lực
1.1. Khái niệm chung
1.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Gồm những chất ((lưu chất))có thể chảy được trong điều kiện
nhiệt độ không đổi như: nước, xăng, dầu , hơi, các chất khí, kim loại
nấu chảy, chất lỏng trộn với chất cứng,…

1.1.2. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng
Nghiên cứu thủy lực phải kết hợp chặt chẽ lý thuyết với thực
nghiệm (quan sát hiện tượng, thí nghiệm mô hình, phân tích lý luận
bằng toán học) do đó chúng ta có hai phương pháp chính:
-Phương pháp giải tích
-Phương pháp thực nghiệm


1.1. Khái niệm chung
1.1.2. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng
a.Phương pháp giải tích
Áp dụng các định luật,định lý cơ học cho vật thể lưu chất (có tính đến tính
chất của vật thể)=>các PTVP,TP mô tả trạng thái của nó =>v,p,…tại các điểm
khác nhau của thể tích lưu chất

b. Phương pháp thực nghiệm
Phân tích, tổng hợp kết quả TN => các quy luật mô tả trạng thái lưu chất
(các công thức thực nghiệm)
- Phương pháp đồng dạng
Tiến hành đo trên mô hình có cùng bản chất vật lý nhưng được thiết kế ở
tỷ lệ thích hợp, kết quả đo được quy đổi theo tỷ lệ để cho ra các thông tin của
hệ thống thực

- Phương pháp tương tự
Tiến hành trên mô hình không cùng bản chất vật lý nhưng PTVP, TP mô tả
quá trình trong chúng giống nhau,kết quả TN được quy đổi tương đương cho
phép xác định các thông số của hệ thống thực


1.2. Tính chất vật lý của chất lỏng; các loại
lực tác dụng trong chất lỏng
1.2.1 Khối lượng riêng, trọng lượng riêng, tỷ trọng
a. Khối lượng riêng ρ:
Là khối lượng của 1 ĐV thể tích chất đó

M kg
ρ = ( 3)
V m

M(kg) khối lượng chất lỏng chứa trong thể tích V(m 3)

b. Trọng lượng riêng γ:

Là trọng lượng của 1 ĐV thể tích chất đó

G N
γ = ( 3)
V m

G(N)Trọng lượng khối chất lỏng chứa trong thể tích V(m 3)

Chất lỏng đồng nhất γ = ρ.g (N/m3); g = 9,81 (m/s2)

c. Tỷ trọng δ:

Là tỷ số giữa γ của 1 chất và γH2O của
nước ở điều kiện tiêu chuẩn

δ=

γ
γ H 2O


1.2. Tính chất vật lý của chất lỏng; các loại
lực tác dụng trong chất lỏng
1.2.2 Tính nén được
Khi áp suất tác động lên chất lỏng thay đổi thì làm cho thể
tích chất lỏng thay đổi
Nhưng chất lỏng sự thay đổi thể tích theo áp suất rất bé nên trong
các vấn đề thủy lực người ta coi chất lỏng như không nén được

1.2.3 Tính nhớt
Tính nhớt là biểu hiện sức dính phân tử của chất lỏng hay ứng suất
tiếp giữa các lớp chất lỏng chuyển động tương đối với nhau
Độ nhớt của chất lỏng phụ thuộc vào t0,p của môi trường


1.2. Tính chất vật lý của chất lỏng; các loại
lực tác dụng trong chất lỏng
1.2.4 Tính di động
Chất lỏng là loại chất chảy, không có hình dạng riêng ban đầu mà
thay đổi theo hình dạng vật thể chứa đựng nó hoặc bao quanh nó

1.2.5 Tính giãn nở vì nhiệt
Khi nhiệt độ chất lỏng thay đổi thì thể tích chất chất lỏng thay đổi

1.2.5 Sức căng mặt ngoài
Là tính chất chịu được lực kéo không lớn lắm tác động lên mặt tự
do phân chia chất lỏng với chất khí hoặc trên mặt tiếp xúc giữa
chất lỏng với mặt vật rắn


1.3. Các lực tác dụng lên chất lỏng
1.3.1. Lực khối
là lực tác động lên tất cả các phân tử chất lỏng trong khối
chất lỏng khảo sát.
Lực khối tỉ lệ với thể tích chất lỏng nên còn gọi là lực thể tích.
→

- f Lực khối đơn vị

→

F = ∫ f ρ.dv
v

VD : Lực quán tính, lực từ, lực điện trường, trọng lực.

1.3.2. Lực mặt
là lực tác động lên mặt giới hạn khối chất lỏng đang xét.
Lực mặt tỉ lệ với diện tích bề mặt giới hạn khối chất lỏng.
VD : áp lực không khí lên mặt thoáng, lực ma sát

Chương 2: Tĩnh học chất lỏng
Tĩnh học chất lỏng nghiên cứu các quy luật cân bằng của lưu chất ở trạng
thái tĩnh (TTCB), tức là không có sự chuyển động tương đối giữa các
phân tử lưu chất và ứng dụng các quy luật vào trong sản xuất

NỘI DUNG
2.1. ÁP SUẤT THỦY TĨNH
2.2. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN
2.3. CÁC LOẠI ÁP SUẤT-BIỂU ĐỒ PHÂN BỐ ÁP SUẤT
2.4. ĐỊNH LUẬT BÌNH THÔNG NHAU, ĐỊNH LUẬT PASCAL,
ĐỊNH LUẬT ÁC SI MET


Chương 2: Tĩnh học chất lỏng
2.1. Áp suất thủy tĩnh
2.1.1. Khái niệm
Áp suất thủy tĩnh là ứng suất của lực mặt,
kí hiệu p
Áp suất thủy tĩnh trung bình

∆P
Ptb =
∆S

Áp suất thủy tĩnh tại một điểm (ASTT)
Đơn vị N/m2 hoặc at
1at = 9,81.104 N/m2

∆P
p = lim
∆S →0 ∆S


Chương 2: Tĩnh học chất lỏng
2.1. Áp suất thủy tĩnh

σn

2.1.2. Tính chất

τ

TC 1: Áp suất thủy tĩnh tác dụng
thẳng góc với diện tích chịu lực
và hướng vào diện tích ấy
z

py
TC 2: Trị số áp suất thủy tĩnh tại một
điểm bất kỳ không phụ thuộc vào
hướng đặt của diện tích chịu lực
tại điểm này
px = py = pz

x

px
pz

y


2.2. Các phương trình cơ bản
2.2.1.Phương trình vi phân cân bằng của chất lỏng
(phương trình Ơle tĩnh)
Xét khối chất lỏng vô cùng nhỏ có các cạnh
δx, δy, δz đứng cân bằng
Các lực tác dụng theo phương x gồm:
Lực mặt:

p
p+

∂p
.δx
∂x

Lực khối: F(X,Y,Z): Lực tác dụng lên một đơn vị khối chất lỏng
Thành phần lực khối theo phương x là: ρX.δx.δy.δz

ΣX = 0 ⇔ ρ . X .δx.δy.δz −

∂p
1 ∂p
.δx.δy.γz = 0 ⇒ X −
=0
∂x
ρ ∂x


1 ∂p
X
−
=0

ρ ∂x

1 ∂p
1 ∂p

1 ∂p
Tương tự:Y: −
= 0; Z −
=0
=0
=> Phương trình Ơle tĩnh: Y −
ρ ∂y
ρ ∂y
ρ ∂z


1 ∂p
→
→
Z
−
=0
1


ρ ∂z
Hoặc viết dưới dạng vectơ: F − gradp = 0


ρ


2.2. Các phương trình cơ bản
2.2.2.Phương trình cơ bản thủy tĩnh
Xét chất lỏng không nén được (ρ = const) cân bằng trong hệ tọa độ gắn
với mặt đất như hình vẽ
=>lực khối tác dụng là trọng lực: Z = - g

1 ∂p
. = − g ⇔ dp = − ρ .g.dz = −γdz
ρ ∂z
p
⇔ p = −γ .z + C ⇔ + z = C
γ

⇒Z=

PT cơ bản thủy tĩnh:

p

γ

+ z = const

z là độ cao hình học của một điểm trong chất lỏng.
p
z + gọi là độ cao đo áp suất hoặc thế nằng đơn vị
γ
=>Tổng độ cao hình học, độ cao áp suất và thế năng đơn vị tại mọi
điểm trong chất lỏng tĩnh là không đổi.


2.3.Các loại áp suất-Biểu đồ phân bố áp suất
2.3.1.Công thức tính áp suất
Xét 2 điểm A và B trong khối chất lỏng. zA và zB là
khoảng cách 2 điểm đó đến mặt chuẩn 0-0.

pA
pB
zA +
= zB +
⇒ p A = p B + γ( z B − z A )
γ
γ
Nếu B nằm trên mặt thoáng thì:
pB = p0 ; zB= z0 ; zB- zA = z0- zA = h
h - Độ sâu của điểm A
p = p0 + γ.h
Nếu mặt thoáng tiếp xúc với khí trời thì
p0 = pa ( pa = 1 at = 9,81.104 N/m2)
p = pa + γ.h


2.3.Các loại áp suất-Biểu đồ phân bố áp suất

2.3.2.Các loại áp suất
•Áp suất tuyệt đối ( pt)
Là áp suất toàn phần và được xác định theo công thức:
pt = p0 + γ.h
•Áp suất dư (pd)
Nếu pt > pa thì hiệu pd = pt -pa được gọi là áp suất dư.
Nếu mặt thoáng tiếp xúc với khí trời thì:
pd = γ.h
*Áp suất chân không (pck)
Nếu pt < pa thì hiệu số pa - pt gọi là áp suất chân không
Chú ý:

pck = pa - pt

Khi nói trong môi trường có áp suất chân không nghĩa là áp suất tuyệt đối tại đó
nhỏ hơn áp suất khí trời pa . Như vậy pck lớn nhất khi pt = o, khi đó pck max = pa .


2.3.Các loại áp suất-Biểu đồ phân bố áp suất
2.3.3.Biểu đồ phân bố áp suất
Sự biểu diễn bằng đồ thị áp suất p theo h gọi là biểu đồ
phân bố áp suất
Áp suất luôn thẳng góc với diện tích chịu lực


2.4.Định luật bình thông nhau, Định luật Pascal;
Định luật Ác si met
2.4.1.Định luật
a.Định luật bình thông nhau
Nếu 2 bình thông nhau chứa đựng chất lỏng

khác nhau và có áp suất trên mặt thoáng bằng
nhau, độ cao của chất lỏng ở mỗi bình tính từ
mặt phân chia 2 chất lỏng đến mặt thoáng sẽ tỷ
lệ nghịch với trọng lượng đơn vị của chất lỏng
Ứng dụng : Các dụng cụ đo áp suất


2.4.Định luật bình thông nhau, Định luật Pascal;
Định luật Ác si met
2.4.1.Định luật
b.Định luật Pascal
Áp suất tĩnh do ngoại lực tác động lên bề mặt chất lỏng
được truyền nguyên vẹn đến mọi điểm trong lòng chất lỏng

Ứng dụng định luật Pascal
Sử dụng trong các máy tăng áp, cơ cấu truyền động thủy lực…
Ví dụ máy nén thủy lực
Máy gồm 2 xilanh có diện tích F1 và F2, thông với nhau qua 1 ống
chứa cùng 1 loại chất lỏng và có pistong di chuyển.

p=P/F1
P’ = p.F2 = P.F2/F1 > P


2.4.Định luật bình thông nhau, Định luật Pascal;
Định luật Ác si met
2.4.1.Định luật
c.Định luật Ác si mét
Một vật rắn ngập hoàn toàn trong chất lỏng chịu tác dụng của một lực
hướng thẳng đứng từ dưới lên và có trị số bằng trọng lượng của khối

chất lỏng mà nó chiếm chỗ
PA = γ.Vc

Ứng dụng định luật Ác si mét
Nếu G > PA thì vật sẽ chìm xuống đáy.
Nếu G = PA thì vật sẽ lơ lửng.
Nếu G < PA thì vật sẽ nổi nhô lên mặt chất lỏng.


2.4.Định luật bình thông nhau, Định luật Pascal;
Định luật Ác si met
2.4.3.Bài tập
Bài 1
Xác định độ cao mức thủy ngân tại
A khi cho biết áp suất chỉ trong các
áp kế là p1 =0,9at; p2 =1,86at và độ
cao mức chất lỏng biểu trên hình.
Biết tỉ trọng của dầu 0,8; của thủy
ngân là 13,5


Bài 2
Xác định độ cao h1 của thủy ngân so với mặt chuẩn OO. Biết h2
=12cm, γHg =13,6γΗ2Ο


Bài 3
Xác định độ chênh áp giữa 2 tâm của ống A và B biết độ chênh
theo phương thẳng đứng giữa 2 tâm h=20cm, các mực ngăn
cách giữa nước và dầu trong ống đo chữ U biểu diễn như hình

vẽ, dầu có tỷ trọng δ =0,9