Giáo trình kỹ thuật thủy khí

LÊ XUÂN LONG (Chủ biên}, vũ THỊ HIỀN, ĐẶNG THỊ YẾN

GIÁO TRÌNH

KỸ THUẬT THỦY KHÍ ■

MÊÊÊÊÊÊÊÊÊagÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊimm

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

LÊ XUẨN LONG (CHỦ BIÊN), v ũ THỊ HIẺN, ĐẶNG THỊYÉ4

GIÁO TRÌNH

KỸ THUẬT THỦY KHÍ ■

N H À X H Á T B Ả N Đ Ạ I H Ọ C ’ T H Ả I N G U Y Ê N

NĂM 2019

KỸ THUẬT THỦY KHÍ

MÃ SÓ: — 01 ' 104—

ĐHTN-2019

KỸ THUẬT THỦY KHỈ

MỤC LỤC

CIIƯONC; 1 MỞ Đ À U........................................................................................... 10

1.1. Phạm vi cùa Kỹ thuật thủy khí và sơ lược lịch sừ phát triển môn học...... 10

1.1.1. Phạm vi cùa Kỹ thuật thủy khí............................................................ 10

1.1.2. Sơ lược lịch sử phát triền môn học..................................................... 11

I 2. Thứ nguyên và đơn vị......................................................................................... 12

I 3. Các tinh chất cùa chất lòng................................................................................ 13

1.3.1 Sự khác nhau giữa chất lỏng, chất rắn và chất khí............................14

1.3.2. Khối luợng riêng, trọng lượng riêng, tỷ trọng...................................14

1.3.3. Tính nén được cùa chất lòng................................................................15

1.3.4. Các mối quan hệ về tính chất của khí hoàn hảo................................ 16

1.3.5. Sức căng mặt ngoài............................................................................... 17

1.3.6. Tính nhớt.................................................................................................17

BÀI TẬP CHƯƠNG 1...............................................................................................20

CHƯƠNG 2. THỦY TĨNH ....................................................................................22

2.1. Áp suất tại một điểm bằng nhau theo mọi phương......................................23

2.2. Sự biến thiên của áp suất trong chất lỏng đứng cân bằng.......................... 24

2.3. Áp suất biểu diễn theo độ sâu của chất lỏng............... ................................ 26

2.4. Áp suất tuyệt đối và áp suất tương đ ố i......................... .................................27

2.5. Đo áp suất............................................................................................................30

2.6. Áp lực tác dụng lên thành phẳng.................................... ................................ 36

2.7. Trọng tâm của áp su ất....................................................................................... 38

2.8. Áp lực tác dụng lên mặt cong...........................................................................39

2.9. Vật nổi và sự ổn định của các vật thể ngập hoàn toàn và nổi lên trên

mặt tự d o ......................................................................................................................42

2.10. Tĩnh tương đố i................................................................. ................................46

3

2.10.1. Khối chất lỏng chuyển động tịnh tiến có gia tố c ............................. 46

2.10.2. Khối chất lỏng quay quanh một trục với vận tốc góc A ................. 47

BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ................................................................................................. 48

CHƯƠNG 3 CO SỞ THỦY KHÍ ĐỘNG L ự c 76

3.1. Các khái niệm cơ bản về dòng chảy...................................................................76

3.1.1. Đường dòng, ống dòng, dòng nguyên tố............................................. 76

3.1.2. Diện tích mặt cắt ướt, chu vi ướt, bản kính thủy lự c ........................77

3.1.3. Vận tốc thực, vận tốc trung bình...........................................................78

3.1.4. Lưu lượng của dòng nguyên tố, dòng chảy.........................................78

3.2. Phân loại dòng c h ả y ..............................................................................................79

3.3. Phương trình liên tụ c ............................................................................................ 79

3.3.1. Dạng tổng quát (Dạng Euler)................................................................ 79

3.3.2. Phương trình liên tục đối với dòng nguyên t ố ....................................81

3.3.3. Phuơng trình liên tục đối với dòng chảy ổn định...............................82

3.4. Phương trình Bernoulli cho dòng nguyên tố .................................................... 82

3 .ầ.l. íliuơaH .tàuh Bernoulli £Ỉio.dòrui jiưuvênJấ chất lòn li l i tườa2^.Ẵ7.

3.4.2. Phương trinh Bemoulli cho dòng nguyên tố chất lỏng thực..........84

3.4.3. Phương trình Bemoulli cho dòng chảy ổn định.................................88

3.5. Đường năng và đường đo á p ...............................................................................89

3.5.1. Ý nghĩa đường năng và đường đo áp ................................................ 89

3.5.2. Cách vẽ đường năng và đường đo áp................................................ 90

3.6. Các chú ý khi giải bài toán về dòng chảy.........................................................91

3.7. Phương trình động lượng......................................................................................91

BÀI TẶP CHƯƠNG 3 ...............................................................................................104

CHƯƠNG 4. DÒNG CHẢY ÓN ĐỊNH KHÔNG NÉN ĐƯỢC

TRONG LÒNG DÃN CÓ ÁP 115

4.1. Thí nghiệm Reynolds và tiêu chuẩn phân định trạng thái c h ả y ................. 115

KỶ THUẬT THỦY KHÍ_______________________________________________

4

4.1.1. Thí nghiêm Reynolds.......................................................................... 115

4.1.2 Tiêu chuẩn phân định trạng thái chảy................................................ 117

4.2. Một số đặc điểm của dòng chảy tầng và dòng chảy rố i...............................119

4 2 1 Dòng cháy tần g ....................................................................................119

4.2.2. Dòng chày rối....................................................................................... 120

4.3. Nguyên nhân và phân loại tổn thất năng lượng.............................................122

4.3.1 Nguyên nhân tổn thất năng lượng..................................................... 122

4.3.2. Phân loại tổn th ấ t.................................................................................122

4.4 Tổn thất cục b ộ .................................................................................................. 123

4 4 I Tổn thất cục bộ do co hẹp.................................................................. 123

4.4.2. Tổn thất cục bộ do mở rộng...............................................................124

4.4.3. Tổn thất cục bộ tại các đoạn cong, cút nối và các phụ kiện của

ống dẫn........................................................................................................................ 124

4 5 Tổn thất dọc đường.......................................................................................... 126

4.5.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số sức cản ma sát f........................... 126

4.5.2. Một số công thức xác định hệ số f ....................................................127

4.6. Phân loại đường ống thủy lực..........................................................................129

4.6.1. Dường ống ngắn...................................................................................129

4.6.2. Đuờng ống d à i.....................................................................................129

4.7. Tính toán thủy lực đường ống n g ắn .............................................................. 130

4.8. Tinh toán thửy lực đường ống dài- ống đơn..................................................131

4.9. Tính toán thủy lực đường ống dài- ống phức tạp .........................................133

4.9.1. Tính toán đường phân phối................................................................133

4.9.2. Tính toán đường ống ghép nối tiếp.................................................. 134

4.9.3. Tính toán đuờng ống ghép song song.............................................. 134

HƯỚNG DẢN GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG 4 ......................................................135

BÀI TẬP CHƯƠNG 4 ............................................................................................ 143

______________________________________________ KỸ THUẬT THỦY KHÍ

5

CHƯƠNG 5 DÒNG CHẢY QUA LỎ VÀ VÒI 170

5.1. Khái niệm chung.................................................................................................. 170

5.1.1. Khái niệm ................................................................................................ 170

5.1.2. Các loại l ỗ ...............................................................................................170

5.2. Dòng chảy tự do, ổn định qua lỗ nhò thành mỏng..........................................171

5.3. Dòng chảy tự do ổn định qua v ò i..................................................................... 173

5.4. Dòng chảy ngập, ổn định....................................................................................174

5.5. Dòng chảy tự do, ổn định, qua lỗ to thành m ỏng............................................175

5.6. Dòng chảy không ổn định qua lỗ và vòi........................................................... 177

5.6.1. Đặt vấn đ ề ............................................................................................... 177

5.6.2. Cách tin h ................................................................................................. 177

BÀI TẬP CHƯƠNG 5 ............................................................................................... 180

CH Ư Ơ N G 6 LỤ C TÁC DỤNG LÊN VẬT CH ÌM 194

6.1. Giới thiệu...............................................................................................................194

6.2. Lực cản ma sát cùa lớp biên dòng chảy không nén được............................. 195

f>2ã J-ú ũ túôixtiày tầtt&.doo.tlieí> tấm .phau«, ttơn 1£(S

6.2.2. Lớp biên chảy rối dọc theo tấm phẳng trơn n h ẵ n ............................196

6.2.3. Lực cản ma sát ờ khu quá đ ộ ...............................................................197

6.3. Lực cản lên vật thể ba chiều dòng chảy không nén được............................. 198

6.4.Lực cản lên vật thể hai chiều..............................................................................205

6.5. Lực nâng và chảy vòng.................................................................................208

BÀI TẬP CHƯƠNG 6 .............................................................................................. 210

TÀI LIỆU THAM KHẢO 214

KỶ THUẬT THỦY KHỈ_______________________________________________

6

KỸ THUẬT THỦY KHÍ

CÁC KÝ HIỆU

Bảng dưới đây liệt kẽ các ký hiệu sừ dụng chung cho cả cuốn sách

A = Diện tích (m2)

= Diện tích mặt cắt ngang dòng chảy vuông góc với phương của

vận tốc (m2)

Ac = Diện tich mặt cắt ướt hình tròn (m2)

As = Diện tích cùa mặt thoáng chất lỏng trong bề hoặc trong hồ chứa (m2)

Co = Hệ số co hẹp

Cl = Hệ số lưu lượng

Cv = Hệ số vận tốc

Cd = Hệ số lực cản

c<p = Hệ sô lưu tôc

Cf = Hệ số sức cản ma sát cục bộ

e = Độ nhám tuyệt đối(m)

F = Lực bất kỳ (N)

Fd = Lực cản (N)

Fl = Lực nâng (N)

f = Hệ số ma sát đường ống (không thú nguyên)

8 = Gia tốc trọng lực =9,81 (m/s2)

H = Tổng cột nuớc năng lượng (m)

h = Cột nước bất kỳ (m)

h' = Tổn thất cục bộ (m)

hc = Độ sâu trọng tâm của diện tích (m)

hf = Tổng tổn thất do ma sát thành hoặc ống (m)

7

KỸ THUẬT THỦY KHÍ

hi. = Tổng tổn thất do thất cả các nguyên nhân (m)

llM = Năng lượng thêm vào dòng chảy đo máy bơm cho 1 đơn vị trọng

lượng chất lỏng (N.m/N)

hp = Độ sâu trọng tâm của áp suất (m)

h( = Cột nước lấy đi khỏi dòng chảy bời tuabin (m)

I = Mômen quán tính của diện tích (m4)

Ic = Mômen quán tính lấy với trục tâm (m4)

kc = Hệ số tổn thất cục bộ (Không thứ nguyên)

K = Đặc trưng lưu lượng của ống (m3/s)

L = Chiều dài (m)

m = Khối lượng (kg)

p = Áp suất của chất lỏng (N/m2 = Pa)

Patin 5 Pa = Áp suất khí quyển (N/m2)

ị t

Pb = Áp suất dư (N/m2)

Pv = A p suât chân không

Q = Lưu lượng dòng chảy (m3/s)

q = Lưu lượng dòng chảy trên một mét chiều dài (m3/s.m)

r = Bán kính bất kỳ (m)

Re = Số Reynolds

s = Tỷ trọng của chất lỏng = tỷ số riêng cùa nó và chất lỏng tiêu

chuẩn (không thứ nguyên)

t = Thời gian (s)

8

KỸ THUẬT THỦY KHÍ

u = Vận tốc tiếp tuyến cùa một điểm trên một vật chuyển động (m/s)

V = Vận tốc trung bình cùa dòng chảy (m/s)

V = Thể tích bất kỳ (m1)

yp = Khoảng cách đến trọng tâm áp suất (m)

z = Cao độ so với mặt chuẩn bất kỳ (m)

y (gama) = Trọng lượng riêng (N/m’)

1 (eta) = Hệ số nhớt (N.s/m2)

n(m u) = Hệ số nhớt tuyệt đối hoặc động lực học (N.s/m2)

V (nu ) = Hệ số nhớt động học (m2)

71 (pi) = 3,14

p (rho) = Khối lượng riêng (kg/m1)

ơ

(sigma)

= Súc căng mặt ngoài (N/m)

Cú

(omega)

= Vận tốc góc (rad/s)

9

KỸ THUẬT THỦY KHÍ

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

Mục tiêu:

- Mục tiêu: Giúp sinh viên có khái niệm về môn học, vị tri môn học và

những ứng dụng chính cùa môn học trong thực tế;

- Phân biệt các thể cùa chất lỏng;

- Nắm được các tính chất vật lý cùa chất lưu cần thiết cho môn học;

- Nắm rõ các khái niệm về thứ nguyên và đơn vị.

1.1. Phạm vi của Kỹ thuật thủy khí và SO' lirọ’c lịch sử phát triển

môn học

]. 1.1. Phạm vi cùa Kỹ thuật thủy khí

Chắc chắn các bạn đều đã quan sát mây trôi trên bầu trời, chim bay trên

không, dòng chảy trong sông ngòi và sóng vỗ bờ ngoài biển Các hiện tượng cơ

học thủy khí bao gồm tất cả các hiện tượng này - thủy khí bao gồm các chất ở

aạng Rm va dậng long, W1 KhOiĩgKm va rtươc la cac roại ■pnoTbTen ntĩar M Ọ tĩồ

vấn đề trong cuộc sống liên quan đến cơ học thủy khí là dòng chảy trong

đường ống và trong lòng dẫn, chuyển động cùa không khí và máu trong cơ thể,

sức cản cùa không khí, áp lực gió lên các tòa nhà, chuyển động cùa viên đạn,

dòng tia, sóng nước va, sự làm trơn, sự cháy, tưới, bùn cát, khí tượng và hải

dương học. Và các ứng dụng khác là sự chuyển động cùa độ ẩm trong lòng đất

và dầu trong thành tạo địa chất. Kiến thức về cơ học chất lòng cần thiết để thiết

kế hệ thống cấp nước, các thiết bị xử lý nước thải, đập tràn, cửa van, các thiết

bị đo nước, các công trinh hấp thụ và hãm sóng thủy lực, truyền sóng tự động,

máy bay, tàu thủy, tàu ngầm, đê chắn sóng, bến cảng, tên lửa, ồ đĩa máy tính,

máy xay gió, tuabin, thuyền buồm, đua xe ô tô và tàu lượn. Rõ ràng cuộc sống

cùa chúng ta đều chịu ảnh hưởng của cơ học thủy khí dưới các cách khác nhau

Các kỹ sư cần có kiến thức cơ sở về các hiện tượng của chất lỏng và chất khí.

10

KỸ THUẬT THỦY KHÍ

Kỹ thuật thủy khí là môn học khoa học về cơ học đối với chất lỏng và

chất khí, và các nguyên lý cơ bản được áp dụng trong cơ học chất rắn cũng

được áp dụng cho môn học này. Tuy nhiên, cơ học chất lỏng là môn học phức

tạp hơn cơ học chất rắn, vì với chất rắn người ta có thể giải quyết với các phần

tử riêng rẽ và xác định, trong khi với chất lỏng ta không thể phân chia các phần

tử riêng biệt được.

Kỹ thuật thủy khí có thể chia thành 3 phần sau: Thũy tĩnh là nghiên cứu

chất lưu ờ trạng thái đứng yên hay tĩnh; đụttỊỊ học là nghiên cứu về vận tốc và

đường dòng mà không xét đến lực hoặc năng lượng; và thủy động lực học liên

quan đến các mối quan hệ giữa vận tốc và gia tốc với các lực tác dụng bởi chất

lỏng hoặc lên chất lỏng trong quá trình chuyển động

1.1.2. Sơ lược lịch sử phát triển môn hục

Theo thời gian chúng ta khám phá thêm kiến thức về chất lỏng mà nền

văn minh cổ đại đã nghiên cứu, đặc biệt trong lĩnh vực tưới và giao thông thủy.

Người La Mã nổi tiếng về các công trinh dẫn nirớc và bể tắm, rất nhiều công

trình được xây dựng vào thế kỷ thứ tư trước Công nguyên, một số công trình

vẫn dùng đến nay. Người hy lạp được biết đến với các phát minh đo đạc định

lượng, nổi tiếng là cùa Acsimét (Archimedes) người đã khám phá và đua ra

công thức về vật nổi vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên.

Không có phát triển nào đáng kể về dòng chảy cho đến khi Leonardo da

Vinci (1452-1519), người đã tiến hành thực nghiệm, khảo sát và nghiên cứu về

sóng, dòng tia, xoáy, đường dòng và thậm chí về sự bay. ông là người đã đua

ra phuơng trình bảo toàn khối lượng một chiều.

Issac Newton (1642-1727), đã đưa ra định luật về chuyển động và định

luật về tính nhớt, ông cũng xây dựng các công thức tính toán làm nền tảng cho

những phát minh lớn trong cơ học chất lỏng. Sử dụng các định luật về chuyển

động cùa Newton, nhiều nhà toán học thế kỷ thứ 18 đã giải các bài toán về

dòng chảy chất lỏng lý tưởng (không có tính nhớt). Tuy nhiên, hầu như các

dòng chảy đều chịu ảnh hưởng cùa tính nhớt, vỉ thế các kỹ sư của thế kỷ thứ 17

và 18 đã nhận thấy lời giải cùa dòng chảy không nhớt là không phù hợp và từ

11

KỸ THUẬT THỦY KHÍ

thực nghiệm họ đã xây dựng các công thức thực nghiệm và hinh thành nên

môn thủy lực.

Cuối thế kỷ thứ 19 nhận ra tầm quan trọng cùa các số không thứ nguyên và

mối quan hệ của chúng đối với chuyển động rối, lý thuyết phân tích thứ nguyên

đã được đưa ra. Năm 1904 Ludwig Prandtl đã xuất bản một bài báo quan trọng,

ông kiến nghị rằng các trường hợp dòng chảy cùa chất lỏng có tính nhớt nhỏ

được chia thành hai vùng, một lớp biên mỏng chịu ảnh hưởng cùa tính nhớt gần

thành rắn và một vùng không chịu ảnh huởng cùa tính nhớt nằm cách xa các

biên. Khái niệm này đã giải thích được nhiều nghịch lý trước đây và tạo khả

năng cho các kỹ sư phân tích các dòng chảy phúc tạp hơn. Tuy nhiên, chúng ta

vẫn không có lý thuyết hoàn chinh đối với bản chất cả dòng rối và vì thế cơ học

chất lỏng hiện đại tiếp tục phải kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm.

1.2. Thứ nguyên và đon vị

- Để xác định chính xác tính chất vật lý hoặc một hiện tượng cùa chất

lỏng, ta phải biểu thị tính chất đó dưới dạng đơn vị nào đó.

- Ví du:

• Vận tốc: 8 m/s, 800 cm/s...

• Đường kính: 150mm, 0,15m...

- Dùng hai hệ đơn vị:

• BG (British Gravitational United)

• SI (System International United): Được công nhận vào năm 1950

Bảng 1-1: Thứ nguyên và đơn vị đo lường của hai hệ đơn vị đo lường BG và SI

Thứ nguyên Đom vị BG Đơn vị SI

Chiều dài [L] Foot (ft) Mét (m)

Khối lượng [M] Slug (=lb. sec2/ft) Ki lô gam (kg)

12

KỶ THUẬT THỦY KHÍ

Thứ nguyên Đon vị BG Đon vị SI

Thơi gian [T] Second (sec) Giây (s)

Lực [F] Pound (lb) Newton (N)

Nhiệt độ [0] Rankine (°R)

Fahrenheit (°F)

Celsius (°C)

Bảng 1-2: Đổi đơn vị BG sang đơn vị SI

Thứ nguyên Đổi từ BG sang SI

Chiều dài 1 in=25,4 mm

1 ft =0,3048 m

1 mile =1,509344 km

Lực 1 lb = 4,44822 N

Khối lượng 1 slug = 14,59390 kg

Áp suất 1 psi= 5,89475 kN/m2

Lưu lượng 1 cfs = 0,0283158 nvVs

Vận tốc 1 fps = 0,3048 m/s

Độ nhớt n 1 lb.sec/ft2 = 47,8803 Ns/2

Hệ số nhớt X) 1 ft2/s = 0,092190304 m2/s

Trọng lượng riêng 1 lb/ft3 = pcf = 157,0875 N/m3

1.3. Các tính chất của chất lỏng

Khái niệm chất lỏng tổng quát trong "Cơ học chất lỏng ứng dụng" bao

gồm: Chất lỏng, chất khí và hơi. Trong những trường hợp nghiên cứu cụ thể có

thể được nói rõ là chất lỏng, khí hoặc hơi.

13

KỸ THUẬT THỦY KHÍ

Khái niệm chất lòng = Thể lòng + Thể khí + Thể hơi

(Fluid Liquid I Gas + Vapour)

1.3.1. S ự khúc nhau giữa chất lõng, chất rắn và chất khí

- Sự khác nhau giữa chất rắn và chất lỏng:

Lực hấp dẫn giữa các phần tử chất rắn lớn đến mức duy trì được hinh dạng

Chất lỏng lục dính giữa các phân tử không đủ lớn đề giữ được hình dạng

của chúng.

- Sự khác nhau giữa thế khí và thể lỏng:

Thể khí (gas) nén được nhiều và khi tất cả áp suất bên ngoài không còn

thì có xu thế giãn không giới hạn. Chất khí chỉ cân bằng khi nó hoàn toàn kín.

Thế lỏng (liquid) có mặt tự do, không giãn nở vô hạn.

Hơi (vapour) là khí mà nhiệt độ và áp suất rất gần với trạng thái lỏng.

1.3.2. Khối lưịmg riêng, trọng lượng riêng, tỷ trọng

- Khối lượng riêng:p (kg/m1)

Đặc trung khối lượng cùa mộtđơn vị thể tích gọi là khối lượng riêng p

<P*=*-Ịị f tkíi/ml), XL

M: Khối lượng trong thể tích V (kg)

V: Thể tích có khối lượng M (m3 )

Khối lượng riêng là đại lượng đặc trưng để phân biệt các loại chất lưu

khác nhau. Cùng một loại chất lỏng ờ điều kiện nhiệt độ khác nhau sẽ có khối

lượng riêng khác nhau.

Ví dụ:

Nước cất ờ 4°c có p =1000 kg/m3 . Do ở 4°c nước có trọng lượng

riêng lớn nhất nên các nhà vật lý thường lấy 4°c là nhiệt độ tiêu chuẩn. Trong

khi các nhà kỹ sư thường lấy nhiệt độ tiêu chuẩn ờ 50°F (15,55°C).

Khối lượng riêng một số chất ờ nhiệt độ 0°c và áp suất 750mm Hg là:

Nitơ: 1,25 kg/m3

Nước đá: 900 kg/m3