Giáo trình thủy lực

MỞ ĐẦU ThS LÊ MINH LƯU _ 1 _ CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU §1.1 – Định nghĩa môn học. Thủy lực học còn được gọi là Cơ học chất lỏng ứng dụng, là một môn khoa học ứng dụng. Thủy lực nghiên cứu: − Các quy luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng − Các biện pháp ứng dụng các quy luật đó vào thực tiễn Thuỷ lực học được chia thành hai nội dung lớn: − Thuỷ lực đại cương: hình thành trên cơ sở các quy luật chung (phần nội dung này của môn học có trong tất cả các chương trình đào tạo của tất cả các chuyên ngành kỹ thuật có liên quan đến chất lỏng). − Thuỷ lực chuyên môn như: Thủy lực đường ống; Thuỷ lực lòng dẫn hở: Thuỷ lực công trình; Thuỷ lực sông ngòi; Thủy lực dòng thấm. ...v ...v.. Hệ đo lường dùng trong Thuỷ lực là: hệ kỹ thuật MkGS (m, kG, sec) và SI (hệ đo lường quốc tế) – m, kg, sec. Quan hệ giữa các đơn vị: − Lực: đo bằng Niutơn, ký hiệu N và cũng được đo bằng kilogam lực, ký hiệu bằng kG hoặc đo bằng đyn. 1 N = 1 kg.1m/s2 = 1mkgs-2; 1 kG = 9,807 N; 1 N = 0,102 kG; 1 dyn = 10-5 N = 1,02.10-6 kG − Áp suất: đo bằng Pascal (Pa); đyn/cm2; kg/cm2 (atm); atm tuyệt đối; mm Hg. 1 Pa = 1 N/m2 = 10 dyn/cm2 = 1,02.10-5 kG/cm2 = 9,87.10-6 atm tuyệt đối = 7,50.10-3 mmHg. − Khối lượng: đo bằng kilogram khối lượng (kg); gam khối lượng (g); kGs2/m4. 1 kg = 103g = 0,102 kGs2/m4. §1.2 – Lịch sử phát triển. Cơ học chất lỏng ứng dụng - thủy lực – có một quá trình phát triển lâu đời. Một số nguyên lý về thủy tĩnh (lý thuyết cân bằng của chất lỏng) đã được Asimed xác lập trong tác phẩm nỗi tiếng từ năm 250 trước công nguyên và sau đó là Xtevin (1548 – 1620), Galile (1564 – 1642) và Pascal (1623 – 1662) phát triển. MỞ ĐẦU ThS LÊ MINH LƯU _ 2 _ Giữa thế kỷ XV Leonar de Vanhxi (1452 – 1519) đặt nền móng cho thực nghiệm thủy lực. Ống đã tiến hành nghiên cứu trong phòng thí nghiệm một số vấn đề về chuyển động của nước trong kênh, qua lỗ vòi và đập tràn. Torixeli (1608 – 1647) đã đề xuất công thức nổi tiếng về vận tốc của chất lỏng chảy qua lỗ, còn Niutơn (1642 – 1724) đã phát biểu quy luật cơ bản về ma sát trong của chuyển động của chất lỏng. Trong thế kỷ XVIII Danhin Becnui (1700 – 1782) và Leona Ơle (1707 – 1783) đã đề xuất phương trình tổng quát về chuyển động của chất lỏng lý tưởng và có thể coi các ông là những người đặt nền móng cho cơ học chất lỏng lý thuyết. Cuối thế kỷ XVIII nhiều bác học và kỹ sư (Sêdi, Đacxi, Badanh, Vâyxbắc) trong các trường hợp cụ thể khác nhau và họ đã nhận được một số lượng lớn các công thức kinh nghiệm. Sự hình thành thủy lực "thực dụng" cứ như vậy càng ngày càng rời xa cơ học chất lỏng lý thuyết. Thế kỷ XX với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật hàng không, thủy lợi, nhiệt năng, máy thủy lực đã phát triển như vũ bão của cơ học chất lỏng kỹ thuật được dựa trên các tiền đề lý thuyết và các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. §1.3 – Khái niệm chất lỏng trong thủy lực. Việc nghiên cứu môn thủy lực dựa vào khái niệm phần tử chất lỏng. Phần tử chất lỏng được coi là vô cùng nhỏ, tuy nhiên kích thước nó cũng còn vượt rất xa kích thước của phần tử. Giả thiết phần tử chất lỏng là đồng chất, đẳng hướng và liên tục và không xem xét đến cấu trúc phân tử, chuyển động phân tử ở nội bộ. Chất lỏng và chất khí khác chất rắn ở chổ mối liên kết cơ học giữa các phần tử chất lỏng và chất khí rất yếu nên chất lỏng và chất khí có tính di động dễ chảy hoặc nói cách khác có tính chảy. Chất lỏng khác chất khí ở chổ khoảng cách giữa các phần tử trong chất lỏng so với chất khí rất nhỏ nên sinh ra sức dính phân tử rất lớn; tác dụng của sức dính phân tử này làm cho chất lỏng giữ được thể tích hầu như không thay đổi dẫu có thay đổi về áp lực, nhiệt độ, chất lỏng chống lại được sức nén, không co lại, trong khi chất khí dễ dàng co lại khi bị nén. Vì thế chất lỏng là chất chảy không nén được và chất khí là chất chảy nén được. Tính không nén được của chất lỏng cũng là tính không giãn ra của nó, nếu chất lỏng bị kéo thì khối liên tục của chất lỏng bị phá hoại, trái lại chất khí có thể giản ra chiếm hết thể tích của bình chứa nó. Tại mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và chất khí hoặc với chất rắn hoặc với một chất lỏng khác, do lực hút đẩy các phần tử sinh ra sức căng mặt ngoài, nhờ có sức căng mặt ngoài một thể tích nhỏ của chất lỏng đặt ở trường trọng lực sẽ có dạng từng hạt. Vì vậy chất lỏng còn được gọi là chất chảy dạng hạt, tính chất này không có ở chất khí. Trong thuỷ lực, chất lỏng được coi như môi trường liên tục, tức là những phần tử chất lỏng chiếm đầy không gian mà không có chổ nào trống rỗng. Với giả thiết này ta có thể coi những đặc trưng cơ bản của chất lỏng như vận tốc, mật độ, áp suất..v...v..là hàm số của toạ độ điểm và thời gian và trong đa số trường hợp hàm số đó được coi là liên tục và khả vi. MỞ ĐẦU ThS LÊ MINH LƯU _ 3 _ §1.4 – Những tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng. (1). Đặc tính thứ nhất của chất lỏng, cũng như mọi vật thể là có khối lượng, được biểu thị bằng khối lượng đơn vị (khối lượng riêng) ρ. Đối với chất lỏng đồng chất, khối lượng đơn vị ρ bằng tỷ số khối lượng M với thể tích W; tức là: W M=ρ (1 – 1) Thứ nguyên của khối lượng đơn vị là: [ ] [ ][ ] 3L M W M ==ρ Đơn vị của ρ là kg/m3 hoặc 4 2 m Ns . Theo hệ MKS, đơn vị của ρ là 4 2 m kGs Đối với nước đơn vị khối lượng của nước lấy bằng khối lượng của đơn vị thể tích nước cất ở nhiệt độ +40C; ρ = 1000kg/m3. (2). Hệ quả của đặc tính thứ nhất là đặc tính thứ hai của chất lỏng, có trọng lượng; biểu thị bằng trọng lượng đơn vị hoặc trọng lượng riêng. Đối với chất lỏng đồng chất, trọng lượng đơn vị bằng tích số của khối lượng đơn vị với gia tốc rơi tự do g (g = 9,81m/s2): W gMg .. == ργ (1 – 2) Thứ nguyên của trọng lượng đơn vị là: [ ] [ ][ ] 3L F W Mg ==γ Đơn vị của γ là 22 sm kg hoặc 3m N . Theo hệ MKS, đơn vị của γ là 3m kG Đối với nước ở nhiệt độ +40C; 33 10009810 m kG m N ==γ ; với thủy ngân 33 13600134000 m kG m N ==γ (3). Đặc tính thứ ba của chất lỏng là tính thay đổi thể tích vì thay đổi áp lực hoặc vì thay đổi nhiệt độ. Trong trường hợp thay đổi áp lực, ta dùng hệ số co thể tích βw để biểu thị sự giảm tương đối của thể tích chất lỏng W ứng với sự tăng áp suất p lên một đơn vị áp suất; hệ số βw biểu thị bằng công thức sau: dp dW Ww .1−=β m2/N (1 – 3) Thí nghiệm chứng tỏ trong phạm vi áp suất từ 1 đến 500 a1tt-mốt-phe và nhiệt độ từ 0 đến 200C thì hệ số co thể tích của nước β = 0,00005cm2/kG ≈ 0. Như vậy trong thủy lực, chất lỏng thường coi như không nén được. Số đảo của hệ số co thể tích βw gọi là mô-đuyn đàn hồi K: dW dpWK w .1 −== β N/m 2 (1 – 4) MỞ ĐẦU ThS LÊ MINH LƯU _ 4 _ Trong trường hợp thay đổi nhiệt độ, ta dùng hệ số giãn vì nhiệt βt, để biểu thị sự biến đổi tương đối của thể tích chất lỏng W ứng với sự tăng nhiệt độ t lên 10C, hệ số βt biểu thị bằng công thức: dt dW Wt 1=β (1 – 5) Thí nghiệm chứng tỏ trong điều kiện áp suất không khí thì ứng với t = 4~100C ta có βt = 0,00014(1/t0) và ứng với t = 10~200C ta có βt = 0,00015(1/t0). Như vậy trong thủy lực chất lỏng coi như không co giản dưới tác dụng của nhiệt độ. Tính chất này còn được thể hiện bằng đặc tính: mật độ giữ không đổi, tức ρ = const. (4). Đặc tính thứ tư của chất lỏng là có sức căng mặt ngoài, tức là khả năng chịu được ứng suất kéo không lớn lắm tác dụng lên mặt tự do phân chia chất lỏng với chất khí hoặc trên mặt tiếp xúc chất lỏng với chất rắn. Do sức căng mặt ngoài mà giọt nước có dạng hình cầu. Trong ống có đường kính nhỏ cắm vào chậu nước có hiện tượng mức nước trong ống dâng cao hơn mặt nước tự do ngoài chậu; nếu chất lỏng là thủy ngân thì lại có hiện tượng mặt tự do trong ống hạ thấp hơn mặt thủy ngân ngoài chậu; đó là hiện tượng mao dẫn, do tác dụng sức căng mặt ngoài gây nên. Mặt tự do của chất lỏng trong trường hợp đầu là lõm, trong trường hợp sau là mặt lồi. Sức căng mặt ngoài đặc trưng bởi hệ số sức căng mặt ngoài σ, biểu thị sức kéo tính trên một đơn vị dài của đường tiếp xúc. Hệ số σ phụ thuộc vào loại chất lỏng và nhiệt độ. Trong trường hợp nước tiếp xúc với không khí ở 200C ta thấy σ = 0,0726N/m = 0,0074kG/m. Nhiệt độ tăng lên, σ giảm đi. Đối với thủy ngân cũng trong những điều kiện trên, ta có σ = 0,540N/m, tức là gần bằng 7,5 lần đối với nước. (5). Đặc tính thứ năm của chất lỏng là có tính nhớt. Trong thuỷ lực tính nhớt rất quan trọng, vì nó là nguyên nhân sinh ra tổn thất năng lượng khi chất lỏng chuyển động. Khi các lớp chất lỏng chuyển động, giữa chúng nảy sinh ra sức ma sát tạo nên sự chuyển biến một bộ phận cơ năng thành nhiệt năng mất đi không lấy lại được. Sức ma sát này gọi là sức ma sát trong. Tính chất nảy sinh ra sức ma sát trong hoặc nói một cách khác, tính chất nảy sinh ra ứng suất tiếp giữa các lớp chất lỏng chuyển động gọi là tính nhớt của chất lỏng. Năm 1686, Niutơn đã nêu lên giả thiết về quy luật ma sát trong, tức là ma sát chất lỏng: "sức ma sát giữa các lớp của chất lỏng chuyển động tỷ lệ với diện tích tiếp xúc của các lớp ấy, không phụ thuộc áp lực, phụ thuộc gradiên vận tốc theo chiều thẳng góc với phương chuyển động, phụ thuộc loại chất lỏng". Định luật ma sát trong của Niutơn viết dưới biểu thức: dn duSF .μ= (1 – 6) Trong đó: F - sức ma sát giữa hai lớp chất lỏng. MỞ ĐẦU ThS LÊ MINH LƯU _ 5 _ S - diện tích tiếp xúc u - vận tốc, u = f(n) – quy luật phân bố vận tốc theo phương n. μ - hằng số tỷ lệ, phụ thuộc loại chất lỏng, được gọi là hệ số nhớt hoặc hệ số động lực nhớt. Gọi τ là ứng suất tiếp, S F=τ , công thức (1 – 6) Hình 1 – 1. có thể viết dưới dạng: dn duμτ = (1 – 7) Công thức (1 – 6) hoặc (1 – 7) dùng cho chuyển động tầng của chất lỏng. Tính nhớt của chất lỏng được đặc trưng bởi hệ số nhớt μ mà thứ nguyên là: [ ] [ ] ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= dn duS Fμ , [ ] LT M L FT == 2μ Đơn vị đo hệ số nhớt μ trong hệ đo lường hợp pháp là 2m Ns hoặc ms kg ; đơn vị ứng với 210 1 m Ns gọi là poazơ (p). Tính nhớt còn được đặc trưng bởi hệ số: ρ μν = (1 – 8) trong đó ρ - khối lượng đơn vị; ν gọi là hệ số động học nhớt; thứ nguyên của ν là: [ ] [ ][ ]ρ μν = ; hoặc [ ] T L2=ν Đơn vị đo hệ số động học nhớt ν trong hệ đo lường hợp pháp là s m 2 ; đơn vị s cm 2 được gọi là stốc. Bảng (1 – 1) hệ số nhớt của một vài chất lỏng. Tên chất lỏng t0C (poa-zơ) Dầu xăng thường Nước Dầu hoả Dầu mỏ nhẹ Dầu mỏ nặng Dầu tuyếc-bin Dầu nhờn Glixêrin 18 20 18 18 18 20 20 20 0,0065 0,0101 0,0250 0,2500 0,4000 1,5280 1,7200 8,7000 MỞ ĐẦU ThS LÊ MINH LƯU _ 6 _ Sau đây là bảng cho trị số của hệ số nhớt động học ν của nước, phụ thuộc nhiệt độ: Bảng 1 – 2. t0C ν, cm2/s t0C ν, cm2/s 0 5 10 12 15 0,0178 0,0152 0,0131 0,0124 0,0114 20 30 40 50 0,0101 0,0081 0,0065 0,0056 Trong những đặc tính vật lý cơ bản nói trên của chất lỏng, quan trọng nhất trong môn thủy lực là đặc tính có khối lượng, có trọng lượng, có tính nhớt. §1.5 – Lực tác dụng. Tất cả những lực tác dụng lên những phần tử ở bên trong ω chia thành hai loại sau đây: ω Hình 1 – 2. (1). Những lực trong (nội lực): những phần tử bên trong ω tác dụng lên nhau những lực từng đôi một cân bằng nhau (theo nguyên lý tác dụng và phản tác dụng), những lực đó tạo thành một hệ lực tương đương với số không. (2). Những lực ngoài (ngoại lực): − Những phần tử ở ngoài mặt ω tác dụng lên những phần tử ở trong mặt ω những lực ngoài. Giả thiết rằng những lực đó chỉ tác dụng lên những phần tử của mặt ω và gọi chúng là những lực mặt. − Những trường lực (trọng lực, từ trường, điện trường...v...v..): có những tác động lên những phần tử ở trong mặt ω, tỷ lệ với những yếu tố thể tích. Đó là những lực thể tích hoặc còn gọi là lực khối. §1.6 – Ứng suất tại một điểm. (1). Xét một phân tố diện tích dω lấy trên một mặt ω, bao quanh điểm I của mặt ω (hình 1 – 3) ω ω Hình 1 – 3. Hệ lực mặt tác dụng lên dω thu được về một lực duy nhất dF đặt tại I và một mô men dM . Vì có thể coi dF là vô cùng nhỏ bậc nhất so với dω và dM là vô cùng nhỏ bậc cao hơn. Khi dω tiến tới số không, xung quanh điểm I cố MỞ ĐẦU ThS LÊ MINH LƯU _ 7 _ định, véc tơ ωd dF tiến tới một véc tơ T gọi là ứng suất tại I trên phân tố ω. Như vậy ở giới hạn ta viết được: ωdTdF .= Hình 1 – 4. Véc tơ T có thể có một hướng tùy ý đối với dω. (2). Cũng bằng cách như vậy, ta có thể định nghĩa ứng suất trên một phân tố diện tích tuỳ ý bao quanh điểm I lấy trong chất lỏng (chỉ cần tưởng tượng một mặt ω chứa đựng phân tố đó). Vì chất lỏng là môi trường liên tục, đẳng hướng ta chứng minh rằng muốn biết ứng suất tại I trên một phân tố diện tích dω chỉ cần biết những ứng suất trên ba phân tố diện tích đôi một vuông góc với nhau và đều đi qua I. Giả sử đã biết những ứng suất của phân bố diện tích đi qua I và đôi một vuông góc với nhau (hình 1 – 4). Cắt tam diện vuông góc đó bởi một mặt phẳng mà ta muốn biết ứng suất, mặt này tạo nên mặt thứ tư ABC. Gọi 1F , 2F , 3F và F là những lực mặt tác dụng riêng biệt lên bốn mặt của tứ diện IABC. Những lực đó đều tỷ lệ với diện tích của những tam giác tương ứng. Đó là những vô cùng nhỏ bậc hai so với những độ dài của tứ diện. Tứ diện phải được cân bằng dưới tác dụng của 1F , 2F , 3F , F và dưới tác dụng của những lực thể tích. Nhưng những lực thể tích này là những lực vô cùng nhỏ bậc ba so với những độ dài của tứ diện, chúng có thể bỏ đi không tính đến so với những lực mặt. Do đ1o chỉ tồn tại có một phương và một độ lớn cho lực F để cân bằng được với tập hợp ba lực 1F , 2F , 3F . Lực F này chia cho diện tích tam giác tương ứng được ứng suất đặt lên mặt ABC mà ta phải tìm. Đến giới hạn ta sẽ có ứng suất tác dụng lên một phân tố diện tích bất kỳ đi qua điểm I. Với hệ toạ độ vuông góc Oxyz, ứng suất tại điểm I trên phân tố dS sẽ được xác định nếu ta biết: − Hướng của dω. − 9 hình chiếu lên các trục toạ độ, của những ứng suất lên ba phân tố diện tích song song với ba mặt phẳng toạ độ và đi qua I. Hình 1 – 5. Ta chỉ cần nghiên cứu những ứng suất tác dụng lên những phân tố diện tích vuông góc với những trục toạ độ (hình 1 – 5). Thí dụ lên một phân tố diện tích vuông góc với Ox, ta có: − Một thành phần σxx song song với trục Ox mà ta giả thiết là có trị số dương khi thành phần đấy hướng vào trong thể tích phân tố. − Một thành phần σxy song song với Oy MỞ ĐẦU ThS LÊ MINH LƯU _ 8 _ − Một thành phần σxz song song với Oz Trong ký hiệu này, chỉ số thứ nhất liên quan đến phân tố diện tích, chỉ số thứ hai đến hướng của thành phần. Như vậy ta có bảng sau đây của 9 thành phần đó: Bảng (1 – 3) Các thành phần theo trục Phân tố diện tích Ox Oy Oz Vuông góc trục x Vuông góc trục y Vuông góc trục z σxx σyx σzx σxy σyy σzy σxz σyz σzz Người ta chứng minh rằng 6 thành phần không ở trên đường chéo trong bảng trên từng đôi một bằng nhau; đó là những thành phần có chỉ số giống nhau. Ví dụ σxy = σyx; σxz = σzx..v.. Như vậy 9 thành phần thu lại còn 6: − 3 thành phần vuông góc mà ta gọi là σ1, σ2, σ3; − 3 thành phần tiếp tuyến mà ta gọi là τ1, τ2, τ3. Vậy ta có bảng sau đây về những ứng suất, đối xứng đối với đường chéo thứ nhất: σ1 τ3 τ2 τ3 σ2 τ1 τ2 τ1 σ3 Bảng này còn được gọi là tensơ ứng suất. §1.7 – Chất lỏng lý tưởng và chất lỏng thực. Chất lỏng thực có tất cả những tính chất như trên. Chất lỏng lý tưởng: bao gồm những tính chất sau: − Không có tính nhớt: μ = 0 − Di động tuyệt đối. − Không chống được lực kéo và cắt. − Không nén được. Chất lỏng ở trạng thái tĩnh rất gần với chất lỏng lý tưởng. Ðể có kết quả chất lỏng lý tưởng phù hợp chất lỏng thực, người ta dùng thực nghiệm để rút ra hệ số hiệu chỉnh. Ngoài ra một số vấn đề thủy lực, chưa có phương pháp lý luận giải quyết được, mà phải dùng phương pháp thực nghiệm.