Bài giảng kỹ thuật thuỷ khí

UBND TỈNH QUẢNG BÌNH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH
KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ


BÀI GIẢNG MÔN HỌC
Kỹ Thuật Thủy Khí

Ngƣời biên soạn : Phạm Nam Giang
Bộ môn

: Kỹ Thuật

Nghành đào tào : Đại học Kỹ Thuật Điện
Số tiết

: 30 tiết

Quảng Bình, tháng 12 năm 2014


NỘI DUNG
LỊCH SỬ MÔN HỌC
CHƢƠNG 1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÍ CƠ BẢN CỦA CHẤT
LỎNG..................................................................................................................... ..1
1.1. Đối tượng và nhiệm vụ nghiên cứu................................................................. 1
1.1.1. Khái niệm: ....................................................................................................... 1
1.1.2. Phương pháp nghiên cứu: ............................................................................... 1
1.1.3. Đối tượng nghiên cứu: .................................................................................... 2
1.1.4. Mục đích của môn học .................................................................................... 3
1.2. Môt số tính chất cơ bản của chất lưu .............................................................. 3

1.2.1. Khối lượng riêng và trọng lượng riêng ........................................................... 4
1.2.2. Tính nén và giản nở......................................................................................... 4
1.2.3. Tính nhớt của chất lưu .................................................................................... 5
CHƢƠNG 2. TĨNH HỌC CHẤT LONG.......................................................... ..7
2.1. Khái niệm về ứng suất..................................................................................... 7
2.2. Khái niệm áp suất thủy tĩnh ............................................................................ 7
2.3. Các tính chất của áp suất thủy tĩnh tại một điểm ............................................ 8
2.4. Mối quan hệ của áp suất thủy tĩnh theo độ sâu ............................................... 8
2.5. Định luật Pascal và máy ép thủy lực ............................................................... 9
2.6. Tính áp lực thủy tĩnh ..................................................................................... 10
2.6.1. Mặt phẳng...................................................................................................... 10
2.6.2. Mặt cong........................................................................................................ 12
2.7. Định luật Acsimet và điều kiện cân bằng vật nổi ......................................... 12
2.7.1. Định luật: Acsimet ........................................................................................ 12
2.7.2. Điều kiện cân bằng vật nổi ............................................................................ 13
CHƢƠNG 3. ĐỘNG HỌC CHẤT LỎNG …………………………………...14
3.1. Các khái niệm chung ..................................................................................... 14
3.1.1. Phân loại chuyển động .................................................................................. 14
3.1.2. Đường dòng và dòng nguyên tố .................................................................... 14
3.1.3. Các yếu tố của thủy lực dòng chảy ............................................................... 15
3.2. Phương trình liên tục của dòng chảy............................................................. 15
3.2.1. Phương trình liên tục của dòng chảy nguyên tố............................................ 15
3.2.2. Phương trình liên tục của toàn dòng chảy..................................................... 16
3.2.3. Phương trình vi phân liên tục dòng chảy ..................................................... 16
3.3. Phương trình vi phân của chất lỏng .............................................................. 16
3.3.1. Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng lý tưởng .......................... 16
3.3.2. Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực................................. 17


3.4. Phương trình Becnuli .................................................................................... 17

3.4.1. Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng .............. 17
3.4.2. Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng thực .................... 18
3.4.3. Phương trình Becnuli viết cho toàn dòng chảy thực ..................................... 18
3.4.4. Áp dụng phương trình Becnuli ..................................................................... 18
3.5. Phương trình biến thiên động lượng ............................................................. 19
3.5.1. Đối với dòng nguyên tố chuyển động dừng.................................................. 19
3.5.2. Phương trình biến thiên động lượng đối với toàn dòng ................................ 20
3.6. Phương trình momen động lượng ................................................................. 20
CHƢƠNG 4. CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT LỎNG KHÔNG
NÉN ĐƢỢC....................................................................................................... 21
4.1. Trạng thái chảy của chất lỏng ....................................................................... 21
4.1.1. Thí nghiệm Reynols ...................................................................................... 21
4.1.2. Số Reynols và vận tốc phân giới ................................................................... 21
4.2. Tổn thất năng lượng trong dòng chảy ........................................................... 21
4.2.1. Tổn thất năng lượng dọc đường trong chảy tẩng .......................................... 22
4.2.2. Tổn thất năng lượng dọc đường trong chảy rối ............................................ 22
4.2.3. Tổn thất năng lượng cục bộ .......................................................................... 22
4.3. Dòng chảy tầng trong ống ............................................................................. 23
4.3.1. Phương trình vi phân của chất lỏng chuyển động......................................... 23
4.3.2. Phân bố vận tốc ............................................................................................. 23
4.4. Dòng chảy rối trong ống ............................................................................... 23
CHƢƠNG 5. CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT KHÍ.............. 24
5.1. Các phương trình cơ bản của chất khí........................................................... 24
5.1.1. Phương trình trạng thái ................................................................................. 24
5.1.2. Phương trình lưu lượng ................................................................................. 24
5.1.3. Phương trình Becnuli .................................................................................... 24
5.1.4. Phương trình Entanpi .................................................................................... 24
5.2. Các thông số dòng khí ................................................................................... 25
5.2.1. Vận tốc âm .................................................................................................... 25
5.2.2. Dòng hãm và dòng tới hạn ............................................................................ 25

CHƢƠNG 6. TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐƢỜNG ỐNG............................... 27
6.1. Phân loại ........................................................................................................ 27
6.1.1. Dựa vào tổn thất năng lượng ......................................................................... 27
6.1.2. Căn cứ vào điều kiện thủy lực và cấu trúc đường ống ................................. 27
6.2. Những công thức dùng trong tính toán thủy lực đường ống ........................ 27
6.3. Tính toán thủy lực đường ống đơn giản........................................................ 28
6.3.1. Tính H1 khi biết H2; Q; l; d; n (độ nhám tương đối) ..................................... 28


6.3.2. Tính Q khi biết H1; H2; l; d; n (độ nhám tương đối) ..................................... 28
6.3.3. Tính d khi biết H1; H2; l; Q; n (độ nhám tương đối) ..................................... 28
6.3.4. Tính d, H1 khi biết H2; l; Q; n (độ nhám tương đối) ..................................... 28
6.4. Tính toán thủy lực đường ống phức tạp ........................................................ 28
6.4.1. Hệ thống đường ống nối tiếp ........................................................................ 28
6.4.1. Hệ thống đường ống song song .................................................................... 29
6.4.2. Hệ thống đường ống phân phối liên tục ........................................................ 29
6.4.3. Hệ thống đường ống phân nhánh hở ............................................................. 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO


PHỤ LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh chất rắn, lỏng, khí ........................................................................ 2
Bảng 1.2 Tỉ trọng của một số chất ............................................................................ 4
Bảng 1.3 Hệ số giản nở vì nhiệt của nước ................................................................ 4
Bảng 1.4 Hệ số giản nở vì nhiệt của nước ................................................................ 5
Bảng 4.1 Hệ số vật cản đối với một số loại vật cản điển hình ................................ 23
PHỤ LỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ nghiên cứu ........................................................................................ 1
Hình 1.2 Sơ đồ nghành cơ học chất lưu .................................................................... 2
Hình 1.3 Cấu trúc phân tử chất rắn, lỏng, khí .......................................................... 3

Hình 1.4 Ứng suất tiếp .............................................................................................. 3
Hình 1.5 Mục đích môn học ...................................................................................... 3
Hình 1.6 Biểu đồ lưu tốc theo chiều sâu ................................................................... 5
Hình 1.7 Biểu đồ chất lưu Newtonian và phi Newtonian ......................................... 5
Hình 1.8 Sự phụ thuộc độ nhớt và nhiệt độ ............................................................... 6
Hình 2.1 Hình ảnh ứng suất ...................................................................................... 7
Hình 2.2 Các loại áp suất thủy tĩnh .......................................................................... 7
Hình 2.3 Áp suất của một phân tố chất lỏng ............................................................. 8
Hình 2.4 Mối quan hệ áp suất theo độ sâu (1) .......................................................... 8
Hình 2.5 Mối quan hệ áp suất theo độ sâu (2) .......................................................... 9
Hình 2.6 Ứng dụng của định luật Pascal .................................................................. 9
Hình 2.7 Sơ đồ áp lực thủy tĩnh tác dụng lên mặt phẳng ....................................... 10
Hình 2.8 Tính toán hợp lực và điểm đặt hợp lực .................................................... 11
Hình 2.9 Mô men quán tính của một số hình đặc trưng ......................................... 11
Hình 2.10 Tính toán cho tấm phẳng hình chữ nhật ................................................ 11
Hình 2.11 Áp lực thủy tĩnh lên mặt cong ................................................................ 12
Hình 2.12 Chứng minh định luật............................................................................. 12
Hình 2.13 Các trường hợp vật nổi, lơ lửng,chìm .................................................... 13
Hình 2.14 Điều kiện cân bằng vật nổi..................................................................... 13


Hình 3.1 Đường dòng .............................................................................................. 14
Hình 3.2 Trường vecto vận tốc................................................................................ 14
Hình 3.3 Hình ảnh ống dòng ................................................................................... 15
Hình 3.4 Hình ảnh dòng chảy nguyên tố ................................................................ 15
Hình 3.5 Mô hình thiết lập phương trình vi phân liên tục của dòng chảy .............. 16
Hình 3.6 Thành lập phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực .......... 17
Hình 3.7 Thành lập phương trình Becnuli cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng 17
Hình 3.8 Ý nghĩa hình học và năng lượng của phương trình Becnuli .................... 18
Hình 3.9 Ống pito .................................................................................................... 18

Hình 3.10 Ống Venturi ............................................................................................ 19
Hình 3.11 Thành lập phương trình biến thiên động lượng cho dòng nguyên tố .... 19
Hình 3.12 Thành lập phương trình biến thiên động lượng cho toàn dòng ............. 20
Hình 3.13 Thành lập phương trình momen động lượng ......................................... 20
Hình 4.1 Thí nghiệm Reynols .................................................................................. 21
Hình 4.2 Phân bố vận tốc, ứng suất của chảy tẩng trong ống tròn ........................ 22
Hình 4.3 Mặt cắt ngang dòng chảy rối trong ống tròn ........................................... 22
Hình 5.1 Thành lập phương trình Entanpi.............................................................. 25
Hình 5.2 Dòng hãm và dòng tới hạn ....................................................................... 26
Hình 6.1 Sơ đồ ống nối tiếp kín ............................................................................... 28
Hình 6.2 Sơ đồ ống nối tiếp kín có rò rỉ chất lỏng ở các chỗ nối ........................... 29
Hình 6.2 Sơ đồ đường ống mắc song song ............................................................. 29
Hình 6.2 Đường ống phân phối liên tục ................................................................. 30
Hình 6.2 Sơ đồ đường ống phân nhánh hở ............................................................. 30


LỊCH SỬ MÔN HỌC
Sự cần thiết phải có sự hiểu biết về kỹ thuật thủy khí bắt nguồn từ mục đích
của con người muốn tìm kiếm các nguồn cung cấp nước. Ban đầu người ta nhận ra
rằng các giếng nước phải được đào và có thiết bị bơm thô sơ để lấy được nước.
Sau đó dân cư ngày càng đông lên, một số sự hiểu biết cơ bản đã được tạo ra để
giải quyết vấn đề rác thải trong nước. Từ thời cổ đại người ta cũng nhận ra rằng
nước có thể được sử dụng để di chuyển mọi vật và cung cấp năng lượng. Khi các
thành phố mở rộng lớn hơn, cống dẫn nước đã được xây dựng. Những cống dẫn
nước có kích thước lớn và hùng vĩ nhất đã được xây dựng trong những thành phố
của Rome và Trung Quốc.
Tuy nhiên, hầu như tất cả các kiến thức của người cổ xưa chỉ là những ứng
dụng của bản năng, ngoại trừ Archimedes (250 BC) phát hiện ra định luật đẩy lên
của chất lỏng. Sự phát triển đầu tiên của nghành được thực hiện bởi Leonardo Da
Vinci (1452-1519), ông cũng đã có nhiều nỗ lực về nghiên cứu máy bay và phát

triển một số khái niệm về lực tương hỗ. Sau đó sự hiểu biết của loài người về lĩnh
vực thủy khí ngày càng tăng với sự đóng góp của rất nhiều nhà khoa học.

Archimedes

Leonardo Da Vinci

(Nguồn: )


CHƢƠNG 1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÍ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG
1.1. Đối tượng và nhiệm vụ nghiên cứu
1.1.1. Khái niệm:
Kỹ thuật Thủy Khí là một môn khoa học thuộc lĩnh vực Cơ học, nghiên cứu
các quy luật chuyển động và đứng yên của chất lỏng – chất khí và các quá trình
tương tác lực của nó lên các vật thể khác.
1.1.2. Phương pháp nghiên cứu:
Lý thuyết – Thực nghiệm:
 Lý thuyết (LT): Dự báo khả năng làm việc;
 Thực nghiệm (TN): Tính toán thực tế để kiểm tra lý thuyết.

Quan sát thực nghiệm

Đề ra các giả thiết

Đƣa ra các phƣơng pháp tính toán

Thực nghiệm kiểm tra lại
Hình 1.1 Sơ đồ nghiên cứu

1

Kiểm
tra lý
thuyết


1.1.3. Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là Lưu Chất bao gồm:
 Chất lỏng;
 Chất khí.
Bảng 1.1 So sánh chất rắn, lỏng, khí
Chất rắn

Chất lỏng
Phụ thuộc vào hình
dáng bình chứa, có mặt
thoáng

Chất khí
Chiếm toàn bộ thể tích
bình chứa, không có mặt
thoáng

Hình dạng

Xác định

Lực liên kết
phân tử

Lớn

Yếu

Rất yếu

Ứng xử dưới
tác động của
lực cắt

Biến dạng
hữu hạn

Biến dạng liên tục

Biến dạng liên tục

Ứng suất tỷ
lệ với biến
dạng

Ứng suất tỷ lệ với tốc
độ

Ứng suất tỷ lệ với tốc độ

Hình 1.2 Sơ đồ nghành cơ học chất lưu
2

Chất rắn

Chất lỏng

Chất khí

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử chất rắn, lỏng, khí

Hình 1.4 Ứng suất tiếp
1.1.4. Mục đích của môn học
 Nghiên cứu đặc tính của chất lưu;
 Ứng xử của chất lưu;
 Diễn biến cơ học của môi trường chất lưu.

Hình 1.5 Mục đích môn học
1.2. Môt số tính chất cơ bản của chất lưu
Khối lượng riêng và trọng lượng riêng, nhiệt độ, áp suất, thể tích, độ
nhớt.v.v….
3


1.2.1. Khối lượng riêng và trọng lượng riêng
 Khối lượng riêng

 = m/V (kg/m3)

 Trọng lượng riêng

 = .g (N/m3) (g = 9,81 m/s2)

 Tỷ trọng ( hoặc SG)

Bảng 1.2 Tỉ trọng của một số chất

1.2.2. Tính nén và giản nở
Thể tích V của chất lỏng thay đổi khi áp suất p và nhiệt độ t thay đổi. Ta có:

Đặt:
T

=

(Hệ số giản nở vì nhiệt)

P

=

(Hệ số nén thể tích)

Bảng 1.3 Hệ số giản nở vì nhiệt của nước (1/độ.10-5)

4


Bảng 1.4 Hệ số nén thể tích (10-6 cm2/KG)

1.2.3. Tính nhớt của chất lưu
Độ nhớt của một chất lưu là thông số đại diện cho ma sát trong của dòng chảy
()

Ứng tiếp cho suất chất lưu NEWTONIAN (dòng chảy một chiều)

µ: Hệ số nhớt động học;
v: Hệ số nhớt động lực học

Hình 1.6 Biểu đồ lưu tốc theo chiều sâu

Hình 1.7 Biểu đồ chất lưu Newtonian và phi Newtonian
5


Hình 1.8 Sự phụ thuộc độ nhớt và nhiệt độ

6


CHƢƠNG 2. TĨNH HỌC CHẤT LONG
2.1. Khái niệm về ứng suất
Đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác dụng của các
nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ.v.v….

Hình 2.1 Hình ảnh ứng suất
2.2. Khái niệm áp suất thủy tĩnh
Áp suất thủy tĩnh là những ứng suất gây ra bởi các ngoại lực tác dụng lên chất
lỏng ở trạng thái tĩnh. Được chia làm ba loại chính:
Áp suất tuyệt đối (Pabs: Absolute pressure);
Áp suất dư (Pgage: Gage pressure);
Pgage = Pabs - Patm
Áp suất chân không (Pvac: Vacuum pressure).
Pvac = Patm - Pabs

Hình 2.2 Các loại áp suất thủy tĩnh
7


2.3. Các tính chất của áp suất thủy tĩnh tại một điểm
Áp suất của một điểm bất kỳ có giá trị bằng nhau theo mọi hướng;
Là một đại lượng vô hướng;
Áp suất vuông góc với mặt tiếp xúc.

Hình 2.3 Áp suất của một phân tố chất lỏng
2.4. Mối quan hệ của áp suất thủy tĩnh theo độ sâu
 Trong trường hấp dẫn áp suất tăng lên theo độ sâu;
 Thiết lập mối quan hệ áp suất theo độ sâu

F

z

 maz  0

P2 x  P1x   g xz  0
P = P2 – P1 = .g. Z = z .g

Hình 2.4 Mối quan hệ áp suất theo độ sâu (1)

8


Hình 2.5 Mối quan hệ áp suất theo độ sâu (2)

 Áp suất không phụ thuộc vào hình dạng của bình chứa;
 Áp suất bằng nhau trên cùng một mặt phẳng nằm ngang.
2.5. Định luật Pascal và máy ép thủy lực
Áp suất tĩnh do ngoại lực tác động lên bề mặt chất lưu được truyền nguyên vẹn
đến mọi điểm trong lòng chất lưu.

P1  P2 

F1 F2
F
A

 2 2
A1 A2
F1 A1

Hình 2.6 Ứng dụng của định luật Pascal
9


2.6. Tính áp lực thủy tĩnh
2.6.1. Mặt phẳng
Trên một mặt phẳng áp lực thủy tĩnh được tạo thành bởi một hệ thống các lực
song song nhau.
Phương: Vuông góc với mặt tiếp xúc;
Độ lớn của áp lực:
FR=PC.A
Điểm đặt của áp lực:

y p  yC 

I xx ,C
yc A

Hình 2.7 Sơ đồ áp lực thủy tĩnh tác dụng lên mặt phẳng

10


Hình 2.8 Tính toán hợp lực và điểm đặt hợp lực

Hình 2.9 Mô men quán tính của một số hình đặc trưng

Hình 2.10 Tính toán cho tấm phẳng hình chữ nhật
11


2.6.2. Mặt cong
Phương:

 = tan-1(FV/FH) (hợp với mặt phẳng nằm ngang)

Độ lớn của áp lực:

FH=Fx; FV=Fy+W; W=.g.V
Điểm đặt của áp lực:

Hình 2.11 Áp lực thủy tĩnh lên mặt cong
2.7. Định luật Acsimet và điều kiện cân bằng vật nổi
2.7.1. Định luật: Acsimet

Một vật ngập trong lòng chất lỏng chịu một lực thẳng đứng từ duới lên. Giá trị
của nó bằng trọng lựợng khối chất lỏng mà vật đó chiếm chỗ, điểm đặt là trọng tâm
hình học khối chất lỏng bị chiếm chỗ đó.

Hình 2.12 Chứng minh định luật
12


body < fluid: Vật nổi;
body = fluid: Vật lơ lửng;
body > fluid: Vật chìm.

Hình 2.13 Các trường hợp vật nổi, lơ lửng,chìm
2.7.2. Điều kiện cân bằng vật nổi
G thấp hơn tâm đẩy B: Vật ở trạng thái cân bằng bền;
G cao hơn tâm đẩy B: Vật ở trạng thái cân bằng không bền;
G nằm trùng với vị trí của B: Vật ở trạng thái cân bằng phiến định.

Hình 2.14 Điều kiện cân bằng vật nổi
13


CHƢƠNG 3. ĐỘNG HỌC CHẤT LỎNG
3.1. Các khái niệm chung
3.1.1. Phân loại chuyển động
Chuyển động dừng:
u = u(x,y,z); p = p(x,y,z); h = h(x,y,z)
Chuyển động không dừng:
u = u(x,y,z,t); p = p(x,y,z,t); h = h(x,y,z,t)
3.1.2. Đường dòng và dòng nguyên tố

Đường dòng: Trong một trường véc tơ vận tốc, ta có thể tìm được một
đường cong sao cho nó tiếp tuyến với các véc tơ vận tốc qua các điểm của
nó. Đường cong đó gọi là đường dòng.

Hình 3.1 Đường dòng

Hình 3.2 Trường vecto vận tốc
14


Ống dòng: Các đường dòng tựa lên một vòng kín vô cùng nhỏ ta được một
ống dòng;
Dòng nguyên tố: Dòng chất lỏng chảy đầy trong ống ta gọi là ống dòng.

Hình 3.3 Hình ảnh ống dòng
3.1.3. Các yếu tố của thủy lực dòng chảy
Mặt cắt ướt (): Là mặt cắt vuông góc với vectơ vận tốc dòng chảy;
Chu vi ướt (): Là phần chu vi của mặt cắt ướt tiếp xúc với thành rắn giới
hạn dòng chảy;
Bán kính thủy lực;

Lưu lượng Q (m3/s): Là lượng chất lỏng chảy qua mặt cắt ướt trong một đơn
vị thời gian;

Vận tốc trung bình (m/s).

3.2. Phương trình liên tục của dòng chảy
3.2.1. Phương trình liên tục của dòng chảy nguyên tố
Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng
dQ1 = dQ2

Hình 3.4 Hình ảnh dòng chảy nguyên tố
15


3.2.2. Phương trình liên tục của toàn dòng chảy

3.2.3. Phương trình vi phân liên tục dòng chảy
Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho một phân tố hình hộp trong lòng
chất lỏng.

Hình 3.5 Mô hình thiết lập phương trình vi phân liên tục của dòng chảy
3.3. Phương trình vi phân của chất lỏng
3.3.1. Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng lý tưởng
Áp dụng định luật II của Newton cho một phân tố hình hộp trong lòng chất
lỏng.

16


3.3.2. Phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực
Áp dụng nguyên lý bảo toàn động lượng xét cho một phân tố trong dòng chất
lỏng

Hình 3.6 Thành lập phương trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực
3.4. Phương trình Becnuli
3.4.1. Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng
Áp dụng định luật bảo toàn động năng

Hình 3.7 Thành lập phương trình Becnuli cho dòng nguyên tố chất lỏng lý tưởng

17


3.4.2. Phương trình Becnuli viết cho dòng nguyên tố chất lỏng thực

Hình 3.8 Ý nghĩa hình học và năng lượng của phương trình Becnuli
3.4.3. Phương trình Becnuli viết cho toàn dòng chảy thực

3.4.4. Áp dụng phương trình Becnuli
 Dụng cụ đo vận tốc ống Pito - Prandtl
Để đo vận tốc của một điểm trong dòng chảy ta cắm ống đo áp và ống Pito
hình chữ L vào dòng chảy

Hình 3.9 Ống pito
18