Bài giảng Cơ lưu chất - Chương 4: Động lực học lưu chất - Huỳnh Công Hoài

Chöông 4  
ÑOÄNG LÖÏC HOÏC LÖU CHAÁT  
I. PHÖÔNG TRÌNH VI PHAÂN CHO CHAÁT LOÛNG LYÙ TÖÔÛNG CHUYEÅN  
ÑOÄNG (P.Tr EULER)  
Xeùt moät khoái hình hoäp vi phaân dxdydz trong khoái chaát loûng lyù töôûng chuyeån ñoäng  
. Toång löïc taùc ñoäng treân khoái hình hoäp vi phaân =>  
r
r
v
=
ρ
ρ
r
=
r
F
Vôùi :  
löïc khoái ñôn vò  
+
p(x,y,z,t) : aùp suaát  
u (x,y,z,t) : vaän toác  
Neáu vieát treân phöông x thì :  
p  
ρ x  
dux  
dt  
Fx −  
=
+
=
+
+
r
r
ρ ∂  
=
ρ
ρ ∂  
=
+
+
+
uy  
x  
uy  
x  
uz  
x  
uz  
x  
theâm vaøo veá phaûi  
uy  
+ uz  
uy  
uz  
x  
ux + uy + uz  
u  
x  
p  
u  
z  
uz  
x  
ux  
y  
ux  
t  
y
x
Fx −  
=
+ u  
+
u  
+
sau khi bieán ñoåi, ta coù:  
z
y
ρ x x  
u
p  
ρ x  
ux  
t  
Fx −  
=
+
[
uz ωy uy ωz  
]
Töông töï treân phöông y  
ρ ∂  
=
+
ω −  
ω −  
ω +  
[
]
ρ ∂  
treân phöông z  
+
=
+
ω
r
vaø vieát döôùi daïng vector  
uuuuur  
uuuur  
r
r
r
=
+
+ ω×  
ρ
pt Euler daïng Lam-Gromeâko  
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 1  
II.TÍCH PHAÂN PHÖÔNG TRÌNH CHUYEÅN ÑOÄNG  
Löïc coù theá: Löïc khoái ñôn vò F laø löïc coù theá khi coù theå tìm ñöôïc moät haøm π(x,y,z) sao cho  
uuuur  
r
= −  
π
π  
π  
π  
nghóa laø :  
= −  
= −  
= −  
vaø π(x,y,z) ñöôïc goïi laø haøm theá  
Thí duï : Löïc khoái ñôn vò laø troïng löïc laø moät löïc coù theá vôùi :  
π(x,y,z) = gz  
Haøm aùp suaát: Π(x,y,z) goïi laø haøm aùp suaát  
khi  
Π =  
ρ
Π =  
+
ρ
Π =  
+
Neáu chaát loûng khoâng neùn ñöôïc: ρ = const thì :  
Π =  
+
ρ
ρ
Thay vaøo phöông trình Lamb Gromeâkoâ :  
r
r
uuuur  
r
r
u  
t  
u
r
r r  
+ ϖ  
F gradp =  
+ grad  
+ ω xu  
π+Π+  
=
ρ
1. Tröôøng hôïp chuyeån ñoäng khoâng quay (chuyeån ñoäng theá):  
r
Chuyeån ñoäng khoâng quay  
ϖ =  
Moät chuyeån ñoäng khoâng quay luoân luoân tìm ñöôïc moät haøm theá vaän toác ϕ(x,y,z,t) sao cho:  
r
=
ϕ
r
uuuur  
r r  
+ ϖ  
uuuur  
uuuur  
uuuur  
π + Π +  
=
π+ Π +  
π + Π +  
=
ϕ
(
)
uuuur  
∂ϕ  
=
uuuur  
∂ϕ  
+ π+ Π +  
=
ϕ  
+ π + Π +  
=
chuyeån ñoäng oån ñònh, khoâng neùn ñöôïc vaø chæ chòu aûnh höôûng duy nhaát laø troïng löïc  
+
+
=
ρ
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 2  
2. Chuyeån ñoäng oån ñònh, tích phaân doïc theo ñuôøng doøng:  
r
v
ω
Chuyeån ñoäng oån ñònh :  
=
r
uuuur  
r r  
π+ Π +  
= ϖ  
r r  
ω
uuuur  
uur  
uur  
r r  
= ϖ  
Nhaân (4.11) hai veá cho  
maø treân ñöôøng doøng  
π + Π +  
r r  
ϖ×  
uuuur  
uur  
π + Π +  
=
π + Π +  
=
π + Π +  
=
Neáu chaát loûng khoâng neùn ñöôïc vaø chæ chòu aûnh höôûng duy nhaát laø troïng löïc thì thay (4.12) cho  
treân moät ñöôøng doøng laø  
+
+
=
ρ
3. Chuyeån ñoäng oån ñònh tích phaân doïc theo ñöôøng xoaùy:  
Ñöôøng xoaùy laø cong ñi qua caùc ñieåm coù vector vaän toác xoaùy laø tieáp tuyeán.  
Töông töï nhö treân ñöôøng doøng, nhaân 2 veá  
,
laø moät vector vi phaân treân ñöôøng xoaùy  
uuuur  
uur  
uur  
r r  
= ϖ  
π+ Π +  
maø treân ñöôøng xoaùy  
r r  
ϖ
uuuur  
uur  
π+ Π +  
=
π + Π +  
=
π + Π +  
=
Neáu chaát loûng khoâng neùn ñöôïc vaø chæ chòu aûnh höôøng duy nhaát laø troïng löïc thì thay (4.12) cho  
treân moät ñöôøng xoaùy laø  
+
+
=
ρ
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 3  
4. Chuyeån ñoäng oån ñònh, tích phaân theo phöông phaùp tuyeán vôùi ñuôøng doøng  
r
v
Vector ñôn vò treân phöông s vaø n  
τ
r
r
r
r
r
τ
= τ  
=τ  
+
Ta coù :  
r
r
 
r ∂  
r
= τ  
+
+
r ∂  
r
Thay vaøo pt Euler:  
Nhaân 2 veá cho  
(
π + Π  
)
=τ  
+
+
r  
r⎤  
[
(
π + Π  
)
]
= τ  
+
+
)
(
π + Π  
)
(
π + Π  
= −  
=
Neáu chaát loûng chuyeån ñoäng oån ñònh, khoâng neùn ñöôïc vaø chæ chòu aûnh höôøng duy nhaát laø troïng  
löïc thì cho treân phöông phaùp tuyeán cuûa ñöôøng doøng laø  
+
= −  
ρ
khi nhöõng ñöôøng doøng thaúng song song thì R Æ hay  
+
=
+
=
ρ
ρ
aùp suaát phaân boá theo qui luaät thuûy tónh treân phöông thaúng goùc vôùi ñöôøng doøng  
III. PHÖÔNG TRÌNH NAÊNG LÖÔÏNG  
Xeùt theå tích kieåm soaùt W, bao quanh  
dieän tích A.  
Ñaïi löôïng nghieân cöùu laø naêng löôïng  
X = E  
dw  
= ∫∫∫ κρ  
Naêng löôïng ñôn vò  
κ = u2/2 + gz (ñoäng naêng + theá naêng)  
+
ρ
= ∫∫∫  
CV  
+ ∫∫ ⎝  
rr  
∫∫∫ ⎝  
=
+
+
ρ
Theo ñònh luaät I nhieät ñoäng löïc hoïc, söï bieán thieân naêng löông trong moät heä thoáng cuûa caùc  
phaàn töû chaát loûng trong moät ñôn vò thôøi gian (dE/dt) , baèng coâng suaát cung caáp cho heä thoáng  
coäng vôùi nhieät löôïng theâm vaøo heä thoáng trong moät ñôn vò thôøi gian  
Khoâng coù söï  
trao ñoåi nhieät  
=
+
=
+
nhieät löôïng theâm vaøo trong 1 ñôn vò thôøi gian  
P: coâng suaát cung caáp cho heä thoáng,  
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 4  
Khoâng coù söï trao ñoåi nhieät  
=
A
rr  
+ ∫∫ ⎜  
=
+
+
ρ
∫∫∫  
r
-p  
aùp suaát  
P do löïc taùc duïng treân  
dieän tích A bao quanh  
theå tích kieåm soaùt goàm  
r
τ
ÖÙng suaát do ma saùt  
C
V
r
r r  
v
(
)
( )  
τ
= ∫∫  
+∫∫  
Thay vaøo:  
∫∫∫ ⎝  
+ ∫∫ ⎝  
= ∫∫  
+∫∫  
rr  
r
r r  
v
+
+
ρ
(
)
( )  
τ
saép xeáp laïi, -- > Phöông trình naêng löôïng daïng toång quaùt :  
∫∫∫ ⎝  
+ ∫∫ ⎝  
= ∫∫  
rr  
r r  
+
+
+
ρ
(
τ
)
ρ
∫∫ ⎝  
= ∫∫  
rr  
r r  
+
+
ρ
( )  
τ
Chuyeån ñoäng oån ñònh:  
ρ
Tröôøng hôïp choïn theå tích kieåm soaùt laø moät ñoaïn doøng chaûy taïi maët caét A1 vaø A2 coù ñöôøng  
doøng song song :  
A1  
A2  
p1  
Sb  
V1  
V2  
p2  
∫∫ ⎝  
= ∫∫  
rr  
r r  
+
+
ρ
( )  
τ
z1  
ρ
z2  
Maët chuaån  
rr  
r r  
rr  
r r  
+
+
ρ
+
+
ρ
+
+
+
ρ
( )  
τ
∫∫  
+∫∫  
+∫∫  
= ∫∫  
ρ
ρ
ρ
ρ
r r  
r r  
r r  
+
+
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
∫∫  
∫∫  
= ∫∫  
= ∫∫  
+∫∫  
ρ
∫∫  
r r  
r r  
r r  
+
+
+
+
ρ
ρ
ρ
Ñöôøng doøng  
thaúng song  
song  
Haèng soá  
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 5  
∫∫  
∫∫  
r r  
r r  
r r  
r r  
+
+
ρ
ρ
+
+
ρ
∫∫  
= ∫∫  
ρ
ρ
r r  
= α  
ρ
+
+
ρ
∫∫  
ρ
= − α  
+
+
ρ
ρ
ρ
Töông töï taïi  
maët caét A2  
cuõng coù  
r r  
+
+
ρ
= α  
+
+
ρ
∫∫  
ρ
r r  
r r  
ρ
= α  
ρ
Trong ñoù α1 , α ñöôïc goïi  
laø heä soá söûa c2höõa (hieäu  
chænh) ñoäng naêng :  
∫∫  
∫∫  
α =  
∫∫  
Ñoái vôùi doøng chaûy roái : α ≈1  
Ñoái vôùi doøng chaûy taàng : α >1  
Thay vaøo phöông trình naêng löôïng:  
r r  
r r  
r r  
+
+
ρ
+
+
+
ρ
τ
)
∫∫  
+∫∫  
= ∫∫ (  
ρ
ρ
rr  
α  
+
ρ
+ α  
+
+
ρ
= ∫∫τ  
ρ
ρ
Xem chaát loûng khoâng neùn (ρ1= ρ2 = ρ) vaø Q1 = Q2= Q . Chia 2 veá cho ρgQ vaø chuù yù  
ρg=γ  
rr  
∫∫τ  
α
+
+
= α  
+
+
γ
γ
γ
rr  
= − ∫∫τ  
Goïi hf1-2 laø toån thaát naêng löôïng trong doøng chaûy  
Ñaët :  
γ
Phöông trình  
naêng löôïng cho  
tröôøng hôïp  
α
+
+
= α  
+
+
+
γ
γ
(i) Chuyeån ñoäng oån ñònh, (ii) Khoâng trao ñoåi nhieät, (iii) Taïi maët  
A1, , A2 ñöôøng doøng thaúng song song, (iv) Chaát loûng khoâng neùn  
vaø (v) Löu löôïng taïi maët caét A1 vaø A2 baèng nhau.  
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 6  
α
+
+
= α  
+
+
+
YÙ nghóa caùc soá haïng:  
γ
γ
α
Ñoäng naêng cuûa moät ñôn vò troïng löôïng chaát loûng.  
AÙp naêng cuûa moät ñôn vò troïng löôïng chaát loûng.  
γ
Z
Vò naêng cuûa moät ñôn vò troïng löôïng chaát loûng  
Theá naêng ( coät nöôùc ño aùp )  
+
γ
Naêng löôïng cuûa doøng chaûy tính treân moät ñôn vò troïng löôïng chaát loûng  
( Coät nöôùc naêng löôïng , m)  
= α  
+
+
γ
Naêng löôïng toaøn doøng taïi moät maët caét trong moät ñôn vò thôøi gian  
(Coâng suaát cuûa doøng chaûy, Watt)  
= γ  
Phöông trình naêng löôïng khi coù maùy bôm hoaëc tua bin:  
V22 p2  
2g ρg  
V2 p1  
1
= α2  
+
+ z2 + hf 12  
α
+
+ z1  
-HT  
+HB  
1 2g ρg  
Naêng löôïng maùy bôm cung caáp cho moät ñôn vò troïng löôïng chaát loûng (m)  
Naêng löôïng tua bin laáy töø moät ñôn vò troïng löôïng chaát loûng (m)  
 γQHB (watt)  
 γQHT (watt)  
HB  
HT  
Ñöôøng naêng vaø ñöôøng coät nöôùc ño aùp ( chaát loûng lyù töôûng)  
= α  
ñöôøng coät  
nöôùc ño aùp  
+
+
Ñöôøng naêng  
=
+
γ
γ
Ñöôøng naêng  
Ñöôøng coät  
nöôùc ño aùp  
Maët chuaån  
Ñieàm döøng  
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 7  
IV. ÖÙNG DUÏNG PHÖÔNG TRÌNH NAÊNG LÖÔÏNG  
1. Ño löu toác ( oáng Pitot )  
khí  
Aùp duïïng phöông trình Bernoulli cho ñieåm 1  
vaø 2, xem löu chaát lyù töôûng  
N
p1  
p2  
khí  
M
+
=
+
=
=
+
+
khí  
ρ
ρ
ρ
γ , chaát  
loûng  
p1  
p1  
p2  
p1  
ρ
ρ
m/ch  
Aùp duïïng tính chaát aùp suaát tónh hoïc tuyeät ñoái  
Oáng Pitot  
+ ρ  
+ ρ  
=
+ ρ  
+ ρ  
=
Suy ra  
=
+ ρ  
ρ  
= ρ ρ  
= ρ ρ  
ρ
ρ
ρ
Thay vaøo treân  
=
=
ρ
[
ρ ρ  
]
=
ρ
ρ
ρ
=
Oáng  
pitot  
Thoâng thöôøng ρk<< ρ neân ρ/ρk >> 1 neân  
ρ
=
ρ
Ñeå xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa söï ma saùt  
cuûa doøng khí, heä soá CI ñöôïc theâm vaøo  
ñeå ñieàu chænh vaän toác tính baèng coâng  
thöùc treân  
ρ
=
Oáng Pitot ñöôïc laép treân maùy bay ñeå ño  
vaän toác cuûa maùy bay  
ρ
CI : H s ng Pitot  
CI > 1, N u ch t l ng lyù töôûng CI= 1  
Haõy giaûi thích taïi sao CI > 1 khi xeùt ñeán söï ma saùt cuûa doøng khí ?  
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 8  
2. Ño löu löôïng ( oáng Ventury )  
Aùp duïng phöông trình naêng löôïng giöõa 2 maët caét 1-1 vaø 2-2  
+
+
=
+
+
+
γ
γ
+
+
=
γ
+
+
+
γ
γ
⎞ ⎛  
⎟ ⎜  
=
+
+
⎟ ⎜  
⎠ ⎝  
γ
= −  
2
V2  
1
P2  
V1  
=
p1  
gas  
(
)
A
Z2  
Z1  
h
=
B
(
)
ZA  
ZB  
datum  
(C<1 : heä soá oáng Ventury)  
3. Xaùc ñònh löu löôïng qua moät loã  
Vaän toác qua loã taïi maët caét co heïp :  
=
H
=
Löu löôïng qua loã :  
Ac  
Vôùi Cv heä soá löu toác  
CD = ε. Cv heä soá löu löôïng (ε : heä soá co heïp)  
4. Xaùc ñònh coâng suaát cuûa moät maùy bôm  
Coâng suaát cung caáp cho doøng chaûy  
P = γQHb  
Pb = γQHb / η  
Coâng suaát cuûa maùy bôm  
η : hieäu suaát maùy bôm (%)  
C i tieán maùy bôm ly taâm  
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 9  
V. PHÖÔNG TRÌNH ÑOÄNG LÖÔÏNG :  
Ñaïi löôïng nghieân cöùu trong theå tích kieåm soaùt laø ñoäng löôïng.  
r
Ñoäng löôïng ñôn vò :  
κ =  
Ñoäng löôïng trong theå tích kieåm soaùt laø  
r
v
= ∫∫∫κρ = ∫∫∫ρ  
C
V
Aùp duïïng ñònh luaät veà ñoäng löôïng:  
r
r
=
r
∫∫ρr  
=
r
∫∫ρr + ∫∫ ρr r  
v
=
r
r
∫∫ρ  
+ ∫∫ ρr r  
v
=
Phöông trình ñoäng löôïng  
Xeùt moät chuyeån ñoäng  
- Chuyeån ñoäng oån ñònh  
- Khoâng neùn ñöôïc  
V1  
C.V  
V2  
- Theå tích kieåm soaùt laø moät ñoaïn doøng chaûy:  
r
r
∫∫ρ  
+ ∫∫ ρr r  
v
=
r
ρr r +ρr r  
v
v
r
ρr r +ρr r +ρr r  
v
v
v
=
=
αo1 , αo2 laø heä soá söûa chöõa ñoäng löôïng  
ρ  
ρ
∫∫  
r
r ∫∫  
r ∫∫  
r
r
v
v
α =  
=
ρα  
+ρα  
=
Vôùi chuyeån ñoäng taàng trong oáng : αo =  
r
r
r
4/3  
ρα  
+ ρα  
=
vaø roái thì α o = 1,02 -1,05  
r
r
r
ρα  
ρα  
=
r
r
(Löïc khoái :Troïng löôïng,… )  
ÑL ra  
ÑL vaøo  
Toång löïc  
(Löïc maët :Aùp löïc, löïc ma saùt, ..)  
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 10  
r
r
r
r
r
r
ρ α  
α  
=
ρα  
ρα  
=
Neáu Q1 = Q2 = Q  
VI.ÖÙNG DUÏNG PHÖÔNG TRÌNH ÑOÄNG LÖÔÏNG  
1. Löïc cuûa tia nöôùc taùc duïng treân moät taám phaúng  
nghieâng goùc α, vaän toác vaø löu löôïng ñeán V1vaø Q1.  
Xem troïng löôïng tia nöôùc khoâng ñaùng keå  
F =?  
V
F = ρ Q1 V1sinα  
1Q1  
α
2. Löïc cuûa doøng chaûy taùc duïng leân moät taám chaén coù  
beà roäng baèng 1 ñôn vò, löu löôïng q vaø ñoä saâu h1, h2 .  
B qua ma saùt ñaùy  
γ
=
(
)
ρ  
q
F
h1  
q
h2  
Maùy bôm ly taâm  
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 11  
Caáu taïo boä phaän  
caûi tieán maùy bôm  
ly taâm coù theå huùt  
saâu  
Source: HT Huøng-NHD Kha-NT Haûi-LH Döông  
Source: HT Huøng-NHD Kha-NT Haûi-LH Döông  
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 12  
Source: HT Huøng-NHD Kha-NT Haûi-LH Döông  
Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 13  
pdf 13 trang baolam 27/04/2022 4480
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Cơ lưu chất - Chương 4: Động lực học lưu chất - Huỳnh Công Hoài", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfbai_giang_co_luu_chat_chuong_4_dong_luc_hoc_luu_chat_huynh_c.pdf