Bài giảng Cơ học chất lưu - Chương 1: Mở đầu

Cơ học chất lưu 
■ THÔNG TIN VỀ GiẢNG VIÊN 
Ths. Giảng viên chính: Phan Văn Huấn. 
Địa chỉ liên hệ: Khoa Khoa học Tự nhiên 
Điện thoại: 0918153596 hoặc 01653299961 
Email: huanpv@tdmu.edu.vn 
Các hướng nghiên cứu chính: Cơ học, Điện-Quang, vật liệu nano, màng quang điện. 
Cơ học chất lưu 
 T HÔNG TIN TỔNG QUÁT VỀ MÔN HỌC 
Số tín chỉ: (1+1) 
 Lý thuyết: 25 tiết; Bài tập: 20 tiết. 
Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: 
+ Điểm thường xuyên: trọng số 0,3 
+ Điểm thi kết thúc học phần: trọng số 0,7. 
+ Hình thức thi: tự luận 
+ Thời gian làm bài: 90 phút 
Cơ học chất lưu 
■ Điều kiện tiên quyết: 
	 Sinh viên phải học: Vật lý ĐC B1 và B2; Toán cao cấp A1 và A2. 
■ Nhiệm vụ của sinh viên: 
	 Xem trước giáo trình, sách tham khảo, sách bài tập, lên lớp nghe giảng, thảo luận nhóm, làm bài tập hoặc xemina. 
Mục tiêu của học phần 
Trang bị cho sinh viên hiểu biết về các hiện tượng Vật lý xảy ra trong chất lưu, có kiến thức cơ bản để giải quyết các bài toán về cơ học chất lưu. 
 Có thể vận dụng kiến thức để làm việc trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: thiết kế các phương tiện vận chuyển;tính toán cho cấp, thoát nước, trong các lĩnh vực thủy lợi, xây dựng, môi trường,  
Giới hạn phần trọng tâm 
Các tính chất cơ bản của chất lưu. 
 Các phương trình đặc trưng cho chất lưu ở trạng thái tĩnh, cách tính các áp lực của chất lưu lên một bề mặt vật. 
 Các loại chuyển động của chất lưu. 
 Phương trình liên tục, phương trình vi phân của chất lưu chuyển động, phương trình cơ bản động lực học chất lưu. 
 Thế lưu của dòng chất lưu lý tưởng không nén được, chuyển động thế trên mặt phẳng. 
 Bài tập áp dụng. 
Tài liệu học tập 
1. Tài liệu chính: 
 Bài giảng Cơ lưu chất- Phan Văn Huấn ĐH Thủ D ầu Một 
 Tóm tắt bài giảng Cơ lưu chất- Huỳnh công Hoài ĐH Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh. 	 
 Bài giảng Cơ Lưu Chất, Nguyễn Thị Bảy, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh. 
2. Tài liệu tham khảo: 
 Bài giảng Thuỷ lực và máy thuỷ lực, Nguyễn Đăng Phóng, Bộ môn Thủy lựcThủy văn Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông Vận tải. 
Tài liệu học tập 
2. Tài liệu tham khảo: 
 Cơ học chất lưu – Nguyễn Bá Chư, nhà xuất bản Bách khoa – Hà Nội. 
 Bài tập Cơ lưu Chất, Nguyễn thị Phương, Lê song Giang, Bộ môn Cơ lưu Chất, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh. 
 Bài tập cơ học chất lỏng ứng dụng, tập 1, Nguyễn Hữu Chí, Nguyễn Hữu Dy, Phùng Văn Khương, nhà xuất bản giáo dục. 
 Applied Fluid Mechanics- Robert L. Mott , Fourth edition , Macmillian PublishingCompany, 1990. 
 E-book : Fluid Mechanics , Frank M. White , 1994. 
Nội dung chi tiết học phần 
Chương 1 : Mở đầu 
Chương 2 : Tĩnh học chất lưu 
Chương 3 : Động học chất lưu 
Chương 4: Động lực học chất lưu 
Chương 5 : Dòng chảy đều trong ống 
Chương 6 : Thế lưu 
Chương 1: MỞ ĐẦU 
I. Giới thiệu môn học cơ lưu chất 
II. Tính chất vật lý cơ bản của chất lưu 
1). Khối lượng riêng, trọng lượng riêng, tỷ trọng, thể tích riêng. 
2). Tính nén được 
3).Tính nhớt của chất lưu 
4). Áp suất hơi 
5).Sức căng mặt ngoài và hiện tượng mao dẫn 
III. Bài tập áp dụng 
 Đối t ư ợng nghiên cứu :L ư u chất : chất lỏng và chất khí 
 Phạm vi nghiên cứu : Nghiên cứu các qui luật của chất lỏng và chất khí khi đ ứng yên và chuyển đ ộng . 
 Mục tiêu nghiên cứu: Nhằm phục vụ trong nhiều lĩnh vực : 
+ Nghiên cứu thiết kế các ph ươ ng tiện vận chuyển: xe h ơ i, tàu thủy, máy bay, hỏa tiển.. 
+ Ứng dụng trong khí t ư ợng thủy v ă n : dự báo bão, lũ lụt, .. 
I. Giới thiệu môn học cơ lưu chất 
+ Ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng nh ư cấp, thoát n ư ớc, công trình thủy lợi (cống, đ ê, 
hồ chứa, nhà máy thủy đ iện ..), tính toán thiết kế cầu, nhà cao tầng 
+ Tính toán thiết kế các thiết bị thủy lực :máy b ơ m, tua bin, quạt gió, máy nén.. 
+ Ứng dụng trong y khoa: mô phỏng tuần hoàn máu trong c ơ thể, tính toán thiết kế 
các máy trợ tim nhân tạo.. 
I. Giới thiệu môn học cơ lưu chất(tt) 
 Phân biệt l ư u chất : 
+ Lực liên kết giữa các phân tử nhỏ → Có hình dạng phụ thuộc vào vật chứa. 
+ Không chịu tác dụng của lực cắt, kéo → L ư u chất là môi tr ư ờng liên tục. 
+ D ư ới tác dụng của lực kéo → L ư u chất chảy (không giữ đư ợc trạng thái tĩnh ban đ ầu) 
+ L ư u chất đư ợc xem là không nén đư ợc khi khối l ư ợng riêng thay đ ổi không đ áng kể ( = const). Chất lỏng th ư ờng đư ợc xem là không nén đư ợc trong hầu hết các bài toán kỹ thuật. 
I. Giới thiệu môn học cơ lưu chất(tt) 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất 
1). Khối l ư ợng riêng ( ): là khối l ư ợng của một đơ n vị thể tích l ư u chất. 
Đ ơ n vị (hệ SI): kg/m 3 = (Ns 2 /m 4 ) 
Ví dụ: n = 1000 kg/m 3 ; kk = 1,228 kg/m 3 . 
2).Trọng l ư ợng riêng  : là lực tác dụng cuả trọng tr ư ờng lên khối l ư ợng của một đơ n vị thể tích chất đ ó:  = . g 
Đơn vị (Hệ SI):  = (N/m 3 ) 
Hoặc : kgf/m 3 ; 1kgf = 9.81N;  n = 9,81.10 3 N/m 3 
 V, m 
A 
3). Tỷ trọng : là t ỷ số giữa trọng l ư ợng riêng  của một chất với trọng l ư ợng riêng của n ư ớc  n ở đ iều kiện chuẩn. (  n = 9,81.10 3 N/m 3 ) 
 nếu xem g = const 
4). Thể tích riêng: 
Chú ý : g cũng thay đ ổi theo chiều cao z; 
 z càng lớn, g càng giảm do lực hút của trái đ ất lên vật giảm 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất (tt) 
5).Tính nén đư ợc : suất đ àn hồi (K) đ ặc tr ư ng cho tính nén đư ợc của l ư u chất. 
a). Đối với chất lỏng :  
Trong đĩ:  p là hệ số nén ( hệ số giãn nở do áp lực) . 
Đơn vị (Hệ SI): K = (N/m 2 );  p = (m 2 /N) 
	VD: N ư ớc ở 20 0 C có K n = 2,2.10 9 N/m 2 
P 
 V 
 p 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất (tt) 
5).Tính nén đư ợc : 
a). Đối với chất lỏng :  
Hệ số dãn nở do nhiệt :  t : 
P 
 V 
 p 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất (tt) 
Vì V = V – V 0 ; P = P – P 0 ta có: 
Từ đó ta suy ra 
Hay 
	 b). Đối với chất khí : 
	 Sử dụng p h ươ ng trình trạng thái của khí lý t ư ởng: 
	 PV = RT hay P = RT 
  Trong trường hợp nén đẳng nhiệt T =const 
	Ta cĩ: PV = const 
	+ P là áp suất tuyệt đ ối (N/m 2 = pa= J/m 3 ) 
	+ là khối l ư ợng riêng (kg/m 3 ) 
	+ T là nhiệt đ ộ tuyệt đ ối ( đ ộ Kelvin 0 K) 
	+ R là hằng số, phụ thuộc chất khí, R = 8314/M 
	+ M là phân tử khối của chất khí 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất(tt) 
 N ếu quá trình nén đ ẳng entropi (quá trình nén không ma sát và không có sự trao đ ổi nhiệt): p/ k = const 
	k = c p /c v	 c p – nhiệt dung đ ẳng áp 
	 R = c p – c v	 c v – nhiệt dung đ ẳng tích 
+Vận tốc truyền âm 
trong l ư u chất: 
+ Đối với khí lý t ư ởng trong 
quá trình nén đ ẳng entropi: 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất(tt) 
6. Tính nhớt : 
 L ư u chất không có khả n ă ng chịu lực cắt, khi có lực này tác dụng, nó sẽ chảy và xuất hiện lực ma sát bên trong. 
 Đặc tr ư ng cho ma sát gi ư ã các phần tử l ư u chất trong chuyển đ ộng Định luật ma sát nhớt Newton : F ms = A 
Trong đĩ:  là ứng suất ma sát (ứng suất tiếp) A là diện tích tiếp xúc. 
 Ứng suất tiếp giữa các lớp l ư u chất song song do sự chuyển đ ộng t ươ ng đ ối giữa các lớp phụ thuộc vào gradient vận tốc du/dy. 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất(tt) 
6. Tính nhớt : 
 Ứng suất tiếp 
du 
dy 
u+du 
u 
x 
y 
u 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất(tt) 
: ứng suất tiếp , đơ n vị N/m 2 =Pa 
: đ ộ nhớt đ ộng lực học; 
du/dy : suất biến dạng hay biến thiên vận tốc theo ph ươ ng thẳng góc với chuyển đ ộng 
 Đ ơ n vị  (Hệ SI): N.s/m 2 ; kg/m.s; Pa.s; poise; (1poise = 0,1kg/m.s) 
+ L ư u chất Newton: có ứng suất tiếp tỉ lệ thuận với suất biến dạng. 
+ L ư u chất phi Newton : có ứng suất tiếp không tỉ lệ với suất biến dạng 
L ư u chất Newton 
L ư u chất phi Newton 
L ư u chất phi Newton 
 
0 
du/dy 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất(tt ) 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất(tt): 
 Độ nhớt đ ộng lực học : 
  = const: đ/v l ư u chất Newton 
  = 0 : đ/v l ư u chất lý t ư ởng 
 Độ nhớt đ ộng học: 
 Đơn vị  (Hệ SI): m 2 /s; stokes; (1st = 10 -4 m 2 /s) 
+ Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ : chất lỏng  giảm khi nhiệt đ ộ t ă ng, chất khí  t ă ng khi nhiệt đ ộ t ă ng 
+ Độ nhớt phụ thuộc vào áp suất : chất lỏng  tăng khi P t ă ng, chất khí  kh ơ ng đổi khi P thay đổi. 
Ñ.löôïng 
Nöôùc 
K.khí 
, poise 
1.10 -2 
1,8.10 -4 
, stoke 
0,01 
0,15 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất(tt) : 
7. Áp suất: 
 Áp suất (p): đặc trưng cơ bản của áp lực chất lưu là áp suất. Áp suất là áp lực tác đ ơ ̣ng lên m ơ ̣t đơn vị diện tích chất lỏng. 
 Đơn vị (Hệ SI): P=(N/m 2 )=Pa; at; tor (mmHg) 
 1at = 9,81.10 4 N/m 2 =10mH 2 O; 
Các đơn vị có liên quan hệ tương đương 
1at=9,81.10 4 N/m 2 =10mH 2 O; 
1tor =133,322N/m 2 ; 1bar=10 5 N/m 2 ; 1bari=10 -1 N/m 2 
+ Đơn vị (Hệ SI):  = N/m 
8. Sức căng bề mặt ngoài ( ứng suất mặt ngoài ) 
Do sức căng bề mặt mà gây nên hiện tượng chất lỏng làm ướt và không làm ướt vật rắn, hệ quả của nó là hiện tượng mao dẫn 
9. Hiện tượng mao dẫn 
 Được xác đinh bởi chiều cao (h) cột chất lỏng dâng lên (hay hạ xuống) trong ống mao dẫn 
r là bán kính ống mao dẫn, R là bán kính cong của mặt khum chất lỏng,  là góc làm ướt (góc bờ). 
 Khi =0 ( dính ướt hoàn toàn ), = ( không dính ướt hoàn toàn ) thì bán kính mặt cong bằng bán kính ống mao dẫn 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất(tt) : 
II. Các tính chất c ơ bản của l ư u chất(tt): 
Hiện tượng mao dẫn 
III. Lực tác dụng trong l ư u chất 
Lực tác dụng chỉ có lực phân bố và đư ợc chia thành 2 lọai: nội lực và n goại lực (ngọai lực gồm lực khối và lực mặt). 
1. Lực khối: là ngọai lực tác dụng lên mọi phần tử của thể tích l ư u chất và tỷ lệ với khối l ư ợng l ư u chất. 
 Vector c ư ờng đ ộ lực khối: 
Ví dụ: 
 Trọng lực : 
 Lực quán tính: 
 Lực ly tâm: 
A 
 f 
 V, V 
III. Lực tác dụng trong l ư u chất (tt): 
2. Lực mặt: l à ngọai lực tác dụng lên thể tích l ư u chất thông qua bề mặt bao bọc và tỷ lệ với diện tích bề mặt. 
	  Vector ứng suất: 
  Ví dụ: 
	Áp suất 
	Ứng suất ma sát 
	Trạng thái ứng suất 
Ứng suất trên mặt bất kỳ: 
 f 
A 
 S 
(  ij =  ji ) 
	 Bài 1: Nồi áp lực gồm phần trụ tròn có đư ờng kính d=1000mm, dài l=2m; đ áy và nắp có dạng bán cầu. Nồi chứa đ ầy n ư ớc với áp suất p 0 . Xác đ ịnh thể tích n ư ớc cần nén thêm vào nồi đ ể t ă ng áp suất trong nồi từ p 0 =0 đ ến p 1 =1000at. Biết hệ số nén của n ư ớc là β p =4,112.10 -5 cm 2 /kgf. Xem nh ư bình không giản nở khi nén 
Bài tập 
l 
d 
Dầu mỏ đư ợc nén trong xi lanh bằng thép thành dày tiết diện đ ều nh ư hình vẽ. Xem nh ư thép không đ àn hồi. Cột dầu tr ư ớc khi nén là h=1,5m, và mực thuỷ ngân nằm ở vị trí A-A. Sau khi nén, áp suất t ă ng từ 0at lên 50at, thì mực thuỷ ngân dịch chuyển lên một khoảng Δ h=4mm. Xác định hệ số nén và suất đ àn hồi của dầu mỏ 
Bài 2 
Dầu 
Nước 
Thép 
Bài 2 
Dầu 
Nước 
Thép 
Bài 3: Một bình bằng thép có thể tích tăng 1% khi áp suất tăng thêm 70 Mpa. Ở điều kiện chuẩn, bình chứa đầy nước 450 kg( =1000kg/m 3 ). Biết suất đàn hồi K=2,06.10 9 pa. Xác định khối lượng nước cần thêm vào (ở điều kiện chuẩn) để tăng áp suất lên 70 Mpa. 
Bài tập tự làm 
Bài 2: Xác định sự thay đổi thể tích của 3m 3 không khí khi áp suất tăng từ 100 Kpa đến 500 Kpa. Không khí ở nhiệt độ 23 o C (xem không khí là khí lý tưởng). 
Bài tập 3 
Tìm độ nhớt động lực của dầu mazút nếu biết khối lượng riêng của nó là =900kg/m 3 và độ nhớt động học =0,577.10 -4 m 2 /s. 
Bài 4: Để làm thí nghiệm thủy lực, người ta đổ đầy nước vào một đường ống có đường kính d=300mm, chiều dài L=50m ở áp suất khí quyển. Hỏi lượng nước cần thiết phải đổ thêm vào ống là bao nhiêu để áp suất đạt tới 51at? Biết hệ số nén ép  P = (1/20.000).at -1 
Bài 5: Trong một bể chứa hình trụ thẳng đứng có đường kính d=4m, đựng 100 tấn dầu hỏa có khối lượng riêng =850 kg/m 3 ở 10 o C. Xác định khoảng cách dâng lên của dầu trong bể chứa khi nhiệt độ tăng lên đến 40 0 C. Bỏ qua giãn nở của bể chứa. Hệ số giãn nở nhiệt của dầu là  t = 0,00072/K. 
Bài 6: Khi làm thí nghiệm thủy lực, dùng một đường ống có đường kính d = 400 mm, dài L = 200 m, đựng đầy nước ở áp suất 55 at. Sau một giờ áp suất giảm xuống còn 50 at. Xác định lượng nước chảy qua các kẽ hở của đường ống. Biết hệ số nén ép  P = (1/20.000).at -1 
Bài 7: Một bể hình trụ đựng đầy dầu hỏa ở nhiệt độ 5 0 C, mực dầu cao 4m. Xác định mực dầu tăng lên, khi nhiệt độ tăng lên 25 0 C. Bỏ qua biến dạng của bể chứa. Hệ số giãn nở nhiệt của dầu. Hệ số giãn nở nhiệt của dầu là  t = 0,00072/K.