Bài giảng nghiên cứu thực nghiệm thủy lực

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THỦY LỰC

CHÀO MỪNG
CÁC ANH, CÁC CHỊ HỌC VIÊN CAO HỌC
Đến với môn học
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THỦY LỰC
GS.TS Phạm Ngọc Quý


NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THỦY LỰC
­ Là một môn học của chương trình đào tạo chuyên ngành C.Trình thủy
­ Có 6 chương:
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Lý thuyết tương tự các hiện tượng thủy động lực học.
Chương 3: Phương pháp và kỹ thuật thực nghiệm mô hình Thủy
lực.
Chương 4: Mô hình hóa các hiện tượng thủy lực.
Chương 5: Thực nghiệm mô hình tương tự.
Chương 6: Nghiên cứu trong thực tế.
­ Theo bài giảng và sách tham khảo


CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

GS. TS. Phạm Ngọc Quý


MỞ ĐẦU
­ Thủy động lực học là một trong những vấn đề cơ bản của thủy lực
công trình.
­ Thủy lực động học là khoa học về những quy luật chuyển động của

chất lỏng thực cũng như tác động tương hỗ giữa nó với môi trường
xung quanh.
­ Những định luật cơ bản do D.Bernoulli; L.Euler đưa ra giữa thể kỷ 18.
­ Đến thế kỷ 19 nhiều nhà khoa học đã có thành công: Saintvenant,
Giukovsky, Boussines.
­ Thế kỷ 20 phát triển rầm rộ.
­ Thực tế đã chỉ ra rằng: Thực nghiệm mô hình thủy lực ngày càng phát
triển và không thể thiếu trong nghiên cứu thủy động lực học.


§1.1. PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT CÁC VẤN ĐỀ
THỦY ĐỘNG LỰC HỌC
Các phương pháp:
­ Phương pháp lý luận.
­ Phương pháp đồ giải.
­ Phương pháp thực
­ Phương pháp kết hợp


§1.1. PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT CÁC VẤN ĐỀ
THỦY ĐỘNG LỰC HỌC

­ Mỗi

phương pháp có thế mạnh riêng
­ Đều có dẫn đến sử dụng tin học
­ Phát triển theo hai hướng:
1. Các phương pháp cổ điển có sự hỗ trợ của tin học
2. Tìm kiếm phương pháp mới (phải nhanh, chính
xác hơn đáp ứng được yêu cầu)

­ Có ý kiến cho rằng: Trong nghiên cứu thủy lực, mô hình
toán cho kết quả chính xác hơn, tiện hơn. Song nghiên
cứu mô hình vẫn phát triển bởi nó có thế mạnh riêng.


§1.1. PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT CÁC VẤN ĐỀ
THỦY ĐỘNG LỰC HỌC

0


§1.1. PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT CÁC VẤN ĐỀ
THỦY ĐỘNG LỰC HỌC


§1.2. NỘI DUNG CỦA THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC

Các loại nghiên cứu thực nghiệm
- Nghiên cứu cơ bản:
Giải quyết vấn đề chung, phạm vi rộng.
- Nghiên cứu ứng dụng:
Giải quyết những vấn đề cụ thể.
Không có ranh giới giữa hai loại.
Ngày càng đan xen vào nhau.

I.


§1.2. NỘI DUNG CỦA THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC

II Nội dung thực hiện mô hình thuỷ lực
Hiện tượngTĐLH

Phân tích toán học

Phân tích thứ nguyên

Mô hình toán học

TT băng số

TT tương tự

TT phối hợp

Nghiên
cứu trong
thực
tế

Mô hình vật lý

MH thủy lực

MH khí

MHtương tự
tự

§1.2. NỘI DUNG CỦA THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC
III/Các bước tiến hành nghiên cứu thực nghiệm một vấn đề thủy đông lực
học:

1/Xác định mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu
2/Xác định các đại lượng ảnh hưởng đến hiện tượng nghiên cứu, lập
phương trình chung nhất thể hiện sự liên hệ giữa các đại lượng (có
sử dụng PP Buckingham­PP Phân tích thứ nguyên)
3/Xác định loại mô hình, vị trí đạt mô hình, tỷ lệ mô hình, sêry thí
nghiệm, thiết bị và phương pháp đo, phương pháp đánh giá kết quả
4/ Thiết kế, chế tạo, lắp đặt mô hình
5/ Tiến hành thực nghiệm
6/ Đánh giá kết quả thí nghiệm
7/ Kết luận, viết báo cáo và kết thúc công việc


§1.3. MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

I. Mô hình là gì ?
* Là hình ảnh của tư duy hoặc là sản phẩm vật chất được tạo ra
bằng các vật liệu khác nhau ; nhằm phản ảnh hoặc đồng
dạng với đối tượng nghiên cứu ; những kết quả nghiên cứu
trên đó đem đến những thông tin chính xác về đối tượng cần
nghiên cứu trong thực tế.
* Mô hình chia ra: ­ Cụ thề và trìu tượng
­ Mô hình toán và mô hình lý
­ Mô hình giải tích và mô hình số
­ Mô hình động và mô hình tĩnh
­ Mô hình tất định và mô hình bất định

§1.3. MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
II. Mô hình hoá
Là sự biểu thị bằng hình ảnh các công trình hoặc hiện tượng
bằng công cụ vật lý và toán học hợp lý để nghiên cứu nó hiệu
quả.
III. Mô hình vật lý
­ Là sự tương tự giữa hai thực thể.
­ Mô hình thủy lực là một loại của mô hình vật lý.
­ Vật liệu giống trong thực tế.
­ Mô hình hóa hiện tượng thủy lực dựa trên lý thuyết tương tự.
­ Tiêu chuẩn tương tự, giúp thiết kế mô hình và chuyển đổi kết
quả từ mô hình ra thực tiễn.


§1.3. MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN


§1.3. MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

IV. Mô hình toán
­ Dựa trên sự tương tự giữa thực thể và tư duy
­ Tiện cho nghiên cứu hiện tượng vật lý phức tạp có thể
toán học hoá được.
­ Mô hình toán một hiện tượng vật lý được tạo thành:
+ Từ một mô hình thực.
+ Từ sự biểu thị bằng toán học các mối quan hệ vật lý.
+ Từ các phương pháp giải được bằng toán học.

§1.4. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
MÔ HÌNH THỦY LỰC

* Mục đích:
­ Khảo sát những quy luật của dòng chảy, tác động của nước.
­ Kiến nghị những giải pháp.
* Nhiệm vụ:
1. Giải quyết những vấn đề thực tế mà không được giải quyết
thỏa đáng bằng con đường lý luận.
2. Phát hiện ra quy luật của các hiện tượng và định nghĩa.
3. Kiểm tra, bổ sung, chính xác hóa các công thức lý thuyết.
4. Thiết lập quan hệ thực nghiệm.
5. Kỉêm tra các kết quả tính toán theo lý thuyết.


§1.4. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
MÔ HÌNH THỦY LỰC

* Tiện ích:
+ Kích thước bé hơn so với thực tế.
+ Đo các đại lượng chính xác, nhanh và tiện lợi.
+ Đo đạc mang tính hệ thống cao.
+ Có thể đến được bất kỳ vị trí nào để đo đạc
+ Có thể quan sát và nghiên cứu lâu một hiện tượng hoặc đồng thời các yếu tố.


NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THỦY LỰC

Kết thúc chương 1.

Chúc các bạn học viên cao học:

Sống vươn lên,
theo kịp
ánh ban mai.


CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT TƯƠNG TỰ CÁC
HIỆN TƯỢNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC

GS.

TS. Phạm Ngọc Quý


§2.1. KHÁI NIỆM CHUNG


­Nghiên cứu các hiện tượng trên mô hình dựa trên lý thuyết tương tự.



­Lý thuyết tương tự phát triển theo hai hướng: Từ phương trình vi
phân cơ bản cơ bản và từ phương pháp phân tích thứ nguyên.
­Cơ sở là các định luật tương tự (tiêu chuẩn tương tự) phản ánh quan
hệ giữa thực tế (nguyên hình) và mô hình.
­Biểu diễn các đặc trưng của hiện tượng bằng ba đại lượng cơ bản
(ba thứ nguyên cơ bản): Độ dài (L) ; Khối lượng (M) ; Thời gian (T)
­Các đại lượng vật lý khác đều có thể biểu diễn qua ba thứ nguyên cơ
bản này

­Tương tự cơ học được đảm bảo khi: Tỉ lệ kích thước là như nhau,
chuyển động tương tự, nguyên nhân chuyển động tương tự.










§2.2. PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN VÀ ỨNG DỤNG

­ Là một phương pháp nghiên cứu hiện tượng thủy lực.
­ Cơ sở lý luận:
+ Một phương trình vật lý đúng phải là một phương trình đồng nhất
về thứ nguyên. Ví dụ: Q = mb 2 g Ho3/2
+ Điều ngược lại: một phương trình cân bằng thứ nguyên không
phải luôn là một phương trình vật lý đúng.
+ Cũng không thể nói rằng: mọi phương trình miêu tả hiện tượng
thủy lực đều sẽ cân bằng thứ nguyên.
­ Phân tích thứ nguyên có hai phương pháp: phương pháp Rayleigh và
phương pháp Buckingham


§2.2. PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN VÀ ỨNG DỤNG

­ Nội dung phương pháp Buckingham:
1. Xác định mục tiêu, mục đích

2. Xác định các đại lượng biến đổi và không biên đổi ảnh hưởng, tác động
đến hiện tượng nghiên cứu và viết dưới dạng hàm số: f(a1,a2,.....an) = 0
(2­1)
Trong n đại lượng có: Đại lượng biến đổi, đại lượng không biến
đổi, đại lượng ảnh hưởng nhiều ít khác nhau đến hiện tượng nghiên cứu.
3.Viết quan hệ (2­1) dưới dạng một quan hệ giữa các biến không thứ
nguyên 1, 2... được thiết lập từ các ai
f(1, 2... n­r) = 0

(2­2)


§2.2. PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN VÀ ỨNG DỤNG

Chú ý:
+ Trong n đại lượng biến đổi ai; chọn r đại lượng biến đổi có chứa r
thứ nguyên cơ bản: r ≤ 3
+ Có (n­r) biến không thứ nguyên j
+ Mỗi j là tích của (r + 1) đại lượng biến đổi sao cho:
Các ai được trùng lặp ở các j phải chứa đủ r thứ nguyên cơ bản.
Các thứ nguyên cơ bản không tự tạo nên các biến không thứ nguyên.
+ Cụ thể mỗi j là tích của (r + 1) các ai với mỗi ai có một số mũ.
* r các ai trùng lặp ở mọi j với số mũ khác nhau chưa biết
* Đại lượng thứ (r + 1) lần lượt là các ai còn lại với số mũ p = ± 1


§2.2. PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN VÀ ỨNG DỤNG

4. Xác định các số mũ chưa biết của các ai trong mỗi j bằng cân bằng
thứ nguyên.

Trong trường hợp chung: j = a1xj. a2yj. a3zj. ai (2­3)
(i # 1,2,3)
5. Tìm các số mũ chưa biết xj, yj, zj bằng cân bằng thứ nguyên.

6. Áp dụng các phép tính tổ hợp tương hỗ giữa các biến không thứ
nguyên. (nhân, chia, căn thức, lũy thừa):
F(12;

2
; 1 . 2 . 3; … ) = 0 (2­4)
3


§2.2. PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN VÀ ỨNG DỤNG

Chú ý:
+ Nghiên cứu trên mô hình là khảo sát bằng thực nghiệm quan hệ
tương hỗ giữa các biến không thứ nguyên.
+ Trong nghiên cứu: Mỗi thí nghiệm, các biến giữ nguyên, trừ hai
biến thay đổi. Một biến do ta chủ động thay đổi, còn biến kia quan sát
theo dõi (đo).
Ví dụ: Áp dụng lý thuyết hàm  tìm phương trình biểu thị quan hệ giữa
 o ; D; ;  ; v; 

+ o

 f ; D;  ; v;  

+ Chọn ba đại lượng cơ bản D,V, ρ
+  1  f  2 ;  3 