Chương 1. Những kiến thức cơ bản về thủy lực học

LOGO Môn học: Quá trình và thiết bị cơ học Giáo viên: Quách An Bình Mail: quachanbinh@gmail.com Giới thiệu môn học 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 1 Tài liệu học tập  [1] Trường Đại học Công nghiệp, Quá trình và thiết bị cơ học, Khoa Công nghệ hóa học.  [2] Nguyễn Bin (2007), Tính toán quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, NXB Khoa học và kỹ thuật.  [3] Trần Hùng Dũng, Nguyễn Văn Lục, Vũ Bá Minh, Hoàng Văn Nam (2009), Các quá trình và thiết bị cơ học (tập1-quyển 2), NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 2 Chương 1. Những kiến thức cơ bản về thủy lực học Gv: Quách An Bình 1.1. Tĩnh lực học chất lỏng 1.2. Động lực học chất lỏng 10/21/2012 3 1.1. Tĩnh lực học chất lỏng 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 4 1.1.2. Phương trình cơ bản của tĩnh học chất lỏng 1.1.1. Những tính chất vật lý của chất lỏng 1.1.1. Những tính chất vật lý của chất lỏng 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 5 1.1.1.2. Thể tích riêng 1.1.1.1. Khối lượng riêng 1.1.1.3. Trọng lượng riêng 1.1.1.4. Tỷ trọng 1.1.1.6. Các loại áp suất 1.1.1.5. Khối luợng riêng khí lý tưởng 1.1.1.1. Khối lượng riêng Là khối lượng của 1 đơn vị thể tích lưu chất. Trong đó: - ρ: khối lượng riêng lưu chất (kg/m3) - Δm: Khối lượng riêng của lưu chất trong thể tích ΔV. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 6 ρ= lim (kg/m3) ΔV Δm ΔV0 1.1.1.2. Thể tích riêng Là thể tích của lưu chất trong một đơn vị khối lượng 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 7 V = 1/ρ (m3/kg) 1.1.1.3. Trọng lượng riêng Là trọng lượng của một đơn vị thể tích Trong đó: P: Trọng lượng của lưu chất, N. V: Thể tích lưu chất, m3. g: Gia tốc trọng trường, m/s2. m: Khối lượng của lưu chất 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 8 ɣ = = = ρ.g (N/m3) P V mg V 1.1.1.4. Tỷ trọng Là tỷ số giữa trọng lượng riêng chất lỏng so với trọng lượng riêng của nước. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 9 d = = = ɣd ɣH2O ρH2O .g ρd.g ρd ρH2O 1.1.1.5. Khối lượng riêng khí lý tưởng Là khối lượng của một đơn vị thể tích khối khí. Phương trình trạng thái. Trong đó: P: Áp suất khối không khí tác động lên thành bình (at). R: Hằng số khí lý tưởng V: Thể tích khối khí (lít). 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 10 PV = nRT hay ρ = = (kg/m3) m V RT PM 1.1.1.6. Các loại áp suất Áp suất là đại lượng vật lý biểu thị lực tác dụng lên một đơn vị diện tích. Nếu lực tác dụng được phân bố đều trên diện tích bề mặt thì áp suất được tính theo công thức: F: Lực tác dụng (N) S: diện tích bề mặt chịu lực (m2) 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 11 P = (N/m2) F S 1.1.1.6. Các loại áp suất Trong kỹ thuật người ta phân biệt các loại áp suất sau: Áp suất khí quyển: bằng 0 nếu tính theo áp suất dư hoặc áp suất chân không, bằng 1 at nếu tính theo áp suất tuyệt đối. Áp suất dư: là áp suất so với áp suất khí quyển và có trị số nhỏ hơn áp suất khí quyển. Áp suất tuyệt đối: là áp lực toàn phần tác động lên bề mặt chịu lực. Áp suất tuyệt đối luôn có giá trị lớn hơn hoặc bằng 0. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 12 1.1.1.6. Các loại áp suất 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 13 Pdư Ptđ Ptđ = 0 Pkq = 1 (Theo áp tuyệt đối) Pkq = 0 (Theo áp suất dư) Pkq = 0 (Theo áp chân không) Ptđ = 0 Ptđ Pck Pkq = 1 (Theo áp tuyệt đối) Biểu diễn áp suất dư Biểu diễn áp suất chân không 1.1.1.6. Các loại áp suất 1 atm (vật lý) = 760 mmHg = 10,33 mH2O = 1,033 kg/cm 2. 1 at (kỹ thuật) = 735,5 mmHg = 10 mH2O = 1,0 kg/cm2 = 14,22 Psi = 1 bar = 9,81.104 N/m2= 9,81.104 pa. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 14 1.1.2. Phương trình cơ bản của tĩnh lực học chất lỏng 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 15 Phương trình cơ bản của tĩnh lực học chất lỏng 2 Áp suất thủy tĩnh 1 Áp lực của chất lỏng lên đáy và thành bình 3 1.1.2.1. Áp suất thủy tĩnh 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 16 W: diện tích chịu tác dụng lực P: áp lực thủy tĩnh tác dụng lên diện tích w p= P/w: áp suất thủy tĩnh trung bình trên diện tích 1.1.2.2. Phương trình cơ bản của tĩnh lực học chất lỏng Công thức đế xác định áp suất thủy tĩnh trong khối chất lỏng tại các điểm khác nhau. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 17 Z + = const P ρ.g 2.3. Ứng dụng của phương trình cơ bản tĩnh học chất lỏng 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 18 Sự cân bằng chất lỏng trong bình thông nhau 2 Định luật pascal 1 Áp lực của chất lỏng lên đáy và thành bình 3 2.3.1. Định luật pascal 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 19 A P0 h A P0 h Áp suất trong bình tại điểm A: Pa = P0 + ρgh Nếu ta tăng áp suất tại mặt thoáng lên Δp thì áp suất tại điểm A đó là PII = (P0 + Δp) + ρgh Vậy tại A áp suất tăng là: PII – Pa = Δp P0 + Δp 2.3.1. Định luật pascal Độ biến thiên của áp suất thủy tĩnh trên mặt giới hạn của một thể tích chất lỏng cho trước được truyền đi nguyên vẹn đến mọi điểm của thể tích chất lỏng đó. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 20 2.3.2. Sự cân bằng chất lỏng trong bình thông nhau Trường hợp 1: Một chất lỏng thông nhau ở hai bình kín có mức chênh lệch mặt thoáng trong các bình tỷ lệ thuận với mức chênh lệch áp suất trong các bình đó. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 21 O O z2 z1 p01 A p02 B Ở bình A: P1 = P01 + ρgh1(z1) Ở bình B: P2 = P02 + ρgh2(z2) p2 p1 2.3.2. Sự cân bằng chất lỏng trong bình thông nhau Trường hợp 2: Nếu áp suất trên 2 bề mặt chất lỏng bằng nhau thì z1 = z2 như vậy mức chất lỏng trong các bình nằm trên cùng mặt phẳng. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 22 2.3.2. Sự cân bằng chất lỏng trong bình thông nhau Trường hợp 3: Một bình kín có P01 > pa là áp suất khí quyển, còn bình kín để hở có áp suất p02 = pa thì độ chênh lệch chiều cao chất lỏng trong hai bình bằng chiều cao pazomet ứng với áp suất dư. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 23 2.3.3. Áp lực của chất lỏng lên đáy và thành bình Áp suất trên thành bình thay đổi theo chiều sâu của chất lỏng chứa trong bình và được tính theo công thức PA = P0 + ρ.g.h 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 24 P0 A hA 1.2. Động lực học chất lỏng 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 25 1.2.2. Chế độ chuyển động của chất lỏng 1.2.1. Những khái niệm 1.2.3. Phương trình dòng liên tục 1.2.4. Phương trình Bernulli 1.2.6. Trở lực trong ống dẫn chất lỏng 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli 1.2.1. Những khái niệm 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 26 Độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt 2 Lưu lượng và vận tốc chuyển động của chất lỏng 1 1.2.1.1 Lưu lượng và vận tốc chuyển động của chất lỏng Lưu lượng là lượng lưu chất chuyển động qua một tiết diện ngang của lưu chất trong một đơn vị thời gian. Q = V/t (m3/s) ; Q = F.w (m3/s) 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 27 Qv = F.w = . w (m3/s) πD2 4 1.2.1.2. Độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng lên độ nhớt Độ nhớt: khi chất lỏng thực chuyển động sẽ xảy ra quá trình trượt giữa các lớp chất lỏng vì có lực ma sát nội. Lực ma sát này ra sức cản trở chuyển động của các phần tử chất lỏng. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 28 Click xem video 1 1.2.1.2. Độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng lên độ nhớt µ (Ns/m2): độ nhớt Độ nhớt được tính bằng lực có giá trị là 1 N làm chuyển động hai lớp chất lỏng có diện tích tiếp xúc là 1 m2 cách nhau 1 m với vận tốc 1m/s. 1 Ns/m2 = 1 kg/ms = 10P(poa) = 1000cP (centipoa). 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 29 1.2.1.2. Độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng lên độ nhớt Khi nhiệt độ tăng: Với chất lỏng thì độ nhớt giảm. Với chất khí thì độ nhớt tăng. Với áp suất: Độ nhớt chỉ biến đổi khi chịu áp suất ở áp suất cao, áp suất nhỏ ít biến đổi. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 30 1.2.1.2. Độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng lên độ nhớt 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 31 1.2.2. Chế độ chuyển động của chất lỏng 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 32 1.2.2. Chế độ chuyển động của chất lỏng 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 33 Click xem video 1 1.2.2. Chế độ chuyển động của chất lỏng Lưu chất chảy tầng: Re < 2.320 Lưu chất chảy quá độ: Re = 2.320 ÷10.000 Lưu chất chảy xoáy (rối): Re > 10.000 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 34 1.2.2. Chế độ chuyển động của chất lỏng 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 35 Re = = ρ.w.dtd µ w.dtd v Trong đó: ρ: khối lượng riêng của lưu chất (kg/m3) µ: Độ nhớt động lực học lưu chất (kg/ms) v: độ nhớt động học (m2/s) w: vận tốc dòng lưu chất (m/s) Ddt: đường kính tương đương (m) 1.2.3. Phương trình dòng liên tục Chất lỏng chảy trong ống thỏa mãn các điều kiện sau: Không bị rò rỉ qua thành ống hay chỗ nối. Có P và to không đổi. Chất lỏng không bị đứt đoạn và không có bọt khí. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 36 1.2.3. Phương trình dòng liên tục 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 37 1 1 3 3 2 2 Ta có Q1 = Q2 = Q3. Hay f1w1 = f2w2 = f3w3 1.2.3. Phương trình dòng liên tục Ta có Q1 = Q2 + Q3 Hay f1w1 = f2w2 + f3w3 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 38 1 1 3 3 2 2 1.2.4. Phương trình Bernulli Với lưu chất lý tưởng: không có ma sát Z: chiều cao hình học đặc trưng P/ρg: Đặc trưng cho áp suất thủy tinh W2/2g: Đặc trưng cho áp suất động 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 39 Z + + = const P ρ.g w2 2.g 1.2.4. Phương trình Bernulli Lưu chất thực: 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 40 z x y 0 0 0 1 2 2 3 3 1 1.2.4. Phương trình Bernulli Đối với chất lỏng thực do giữa các phân tử có lực tương tác vì vậy khi chuyển động trong ống phải tiêu hao một phần năng lượng để thắng lực đường ống. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 41 Z1+ + + hm1= w21 2.g P1 ρ.g Z2+ + + hm2 w22 2.g P2 ρ.g 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 42 PTP = Ptĩnh + Pđộng = P/ρg + v 2/2g (m) 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli Sự chảy chất lỏng qua lỗ 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 43 0 0 1 1 w0 Pkq w1 Z1+ = + hm1= w21 2.g P1 ρ.g Z2+ = + hm2 w22 2.g P2 ρ.g - Có Z1 = H - W1= 0 - hm1 = 0 Suy ra H= - Z0 = 0 - hm(1÷0) = 0 2.g w20 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 44 0 0 1 1 w0 Pkq w1 Đường kính D Đường kính d H1 H H2 D: Đường kính của thùng d: đường kính của lỗ f: tiết diện ngang thùng f0: tiết diện ngang lỗ µ: hệ số lưu lượng 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 45 0 0 1 1 w0 Pkq w1 Đường kính D Đường kính d H1 H H2 Trường hợp hai: chỉ tháo 1 phần nước 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli Ví dụ: Một bồn chứa dầu có D = 20m, cao 25 m biết dầu chứa trong bồn có chiều cao là 25m, ρ = 820 kg/m3. Ở đáy lỗ có d = 20cm. Hãy tính thời gian để tháo hết một lượng dầu là 1200 tấn. Cho hệ số lưu lượng µ= 0.62. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 46 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli  Áp dụng công thức:  V tháo = m/ ρ = 1,200,000/820 = 1463 m 3  Tiết diện F = Π.D2/4 = 3,14. 202/4 = 314 m2  V tháo = F. H tháo = 314 . H tháo = 1463 m 3  Suy ra H tháo = 1463/314 = 4,65 m.  H2 = H - H tháo = 25 – 4,65 = 20,35 m  Suy ra 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 47 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 48 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli Màng chắn và Venturi Là hai dụng cụ dùng để đo lưu lượng dựa vào nguyên tắc khi dòng lưu chất qua tiết diện 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 49 1.2.5. Ứng dụng phương trình Bernulli 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 50 1.2.6. Trở lực đường ống Khi chất lỏng chuyển động trong đường ống nó phải tiêu hao một phần năng lượng, năng luợng này để thắng trở lực ma sát và trở lực cục bộ. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 51 Trở lực ma sát Trở lực cục bộ 1.2.6.1. Trở lực ma sát (Hms) Là năng lượng tiêu hao để thắng trở lực ma sát giữa chất lỏng với thành ống, bề mặt nhám. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 52 𝛌: hệ số ma sát phụ thuộc vào bề nhám chất lỏng L: chiều dài ống dẫn (m) D: đường kính chất lỏng 1.2.6.2. Trở lực cục bột (Hcb) Là năng lượng tiêu hao để thắng trở lực đường ống tại những điểm đột thu, đột mở và tại các vị trí có thay đổi chiều chuyển động của dòng chảy. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 53 1.2.6.2. Trở lực cục bột (Hcb) 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 54 (𝜉van + 𝜉thu + 𝜉mở + 2𝜉khuỷu ).w2/2g 1.2.6.2. Trở lực cục bột (Hcb) Một đường ống vận chuyển chất lỏng có d = 4000m, đường kính ống 0.5m, lưu lượng chất lỏng trong đường ống là 3000m3/h. Biết tổng trở lực đường ống là 10m H2O. Hãy xác định áp lực của chất lỏng tại đầu ống. Biết vận chuyển chất lỏng lên một độ cao là h2 = 45m. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 55 1.2.6.2. Trở lực cục bột (Hcb)  Áp dụng công thức:  Có d = const suy ra W1 = W2  Tính theo mặt phẳng 0-0 thì Z1 = 0 và P2 là áp suất khí quyển nên không tính vào phương trình, phương trình được viết như sau:  P1/ρg = Z2 + H (1÷2) Suy ra P1 = (Z2 + H (1÷2)). ρg  Suy ra P1 = (45+ 10).1000.9,81/9,81.104 = 5.5 at. 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 56 1.2.6.2. Trở lực cục bột (Hcb) 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 57 LOGO Add your company slogan 10/21/2012 Gv: Quách An Bình 58