Bài giảng Thủy lực môi trường - Trần Đức Thảo

1Bài giảng
THỦY LỰC MƠI TRƯỜNG
GV: Trần Đức Thảo
 Giáo trình chính:
[1] PGS. TS. Vương Đình Đước, Thủy lực mơi
trường, Trường ĐH Cơng nghiệp thực phẩm
thành phố Hồ Chí Minh, 2013.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Giáo trình tham khảo:
[1] TS. Huỳnh Phú, Thủy lực mơi trường, Viện
Khoa học cơng nghệ & Quản lý mơi trường – ĐH
Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh, 2008.
[2] Nhĩm tác giả, Sổ tay Quá trình và thiết bị cơng
nghệ hố chất (tập 1 & tập 2), NXB. Khoa học và
Kỹ thuật, Hà Nội, 2006.
[3] Phùng Văn Khương, Trần Đình Nghiên, Phạm
Văn Vĩnh, Thủy lực đại cương, ĐH GTVT.
2Giáo trình tham khảo:
[4] Trần Văn Bắc, Thủy lực đại cương, ĐH Bách
khoa Hà Nội, 2003.
[5] Hồng Đức Liên, Thủy lực và cấp thốt nước
trong nơng nghiệp, ĐH Nơng nghiệp, 2005.
[6]. Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Ngọc Tảo, Thủy lực,
ĐH Thủy lợi, 2007.
[7]. Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Ngọc Tảo, Bài tập
thủy lực, ĐH Thủy lợi, 2007.
NỘI DUNG MƠN HỌC
 Chương 1: Mở đầu
 Chương 2: Tĩnh học của chất lỏng
 Chương 3: Cơ sở động lực học chất lỏng
 Chương 4: Tổn thất thủy lực
 Chương 5: Dịng chảy qua lỗ và vịi – Dịng tia
 Chương 6: Dịng chảy ổn định trong ống cĩ áp
 Chương 7: Dịng chảy đều trong kênh hở
Chương 1: Mở đầu
3NỘI DUNG CHƯƠNG 1
1.1. Nội dung mơn học
1.2. Sơ lược lịch sử phát triển mơn
thủy lực
1.3. Khái niệm về chất lỏng trong
thủy lực
1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu
của chất lỏng
1.5. Lực tác dụng
1.1. Nội dung mơn học
 Thủy lực là 1 mơn Khoa học → quy luật cân
bằng và chuyển động của chất lỏng và ứng dụng
chúng vào thực tiễn. → Mơn khoa học ứng dụng
và rất cần thiết cho các cán bộ kỹ thuật.
 Nội dung mơn học: Thủy tĩnh và thủy động.
→ Đây là mơn học cơ sở cho các ngành KT: cấp
thốt nước, thủy lợi, mơi trường,
1.2. Sơ lược lịch sử phát triển mơn thủy lực
 Thủy lực cĩ lịch sử phát triển rất lâu đời, từ khi
con người biết lợi dụng sức nước để phục vụ sinh
hoạt, nơng nghiệp, thủy lợi,
 Acsimet (250 TCN) là nhà bác học đầu tiên đặt
nền mĩng về thủy lực thơng qua định luật về vật
nổi.
 Sang TK 18, 19 thủy lực đã phát triển mạnh mẽ,
đặc biệt là từ khi xuất hiện định luật Becnoulli.
41.2. Sơ lược lịch sử phát triển mơn thủy lực
 Sau đĩ thủy lực tiếp tục phát triển và nhiều nhà
khoa học đã cĩ những cơng trình nghiên cứu hết
sức quan trọng: Sêdi, Đácxi, Raynolds,
Giucốpski,
1.3. Khái niệm về chất lỏng trong thủy lực
 Chất lỏng cĩ mối liên hệ cơ học giữa các phân tử
trong nĩ rất yếu nên chất lỏng cĩ tính dễ di động,
dễ chảy (tính chảy).
 Do khoảng cách giữa các phần tử chất lỏng rất
nhỏ → sức dính rất lớn làm cho chất lỏng giữ
được thể tích khơng đổi khi bị thay đổi áp lực,
nhiệt độ (chống lại sức nén).
 Chất lỏng cịn được coi là chất chảy dạng hạt.
1.3. Khái niệm về chất lỏng trong thủy lực
 Trong thủy lực, chất lỏng được coi như mơi
trường liên tục → chỉ nghiên cứu những vận
động cơ học của chất lỏng dưới tác dụng của
ngoại lực.
→ Trong mơn thủy lực, các nghiên cứu và tính tốn
được dựa trên giả thuyết cơ bản là cĩ tính liên
tục, tính chảy và tính khơng nén được.
51.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL
a. Khối lượng:
 Biểu thị bằng khối lượng đơn vị (ρ – KL riêng)
 Đối với chất lỏng đồng nhất, KL đơn vị được tính
bằng tỷ số khối lượng (M) và thể tích (V):
 Đvới nước, KL đơn vị lấy bằng khối lượng của
đơn vị thể tích nước cất ở +40C, ρ = 1000 kg/m3
3/, mkg
V
M
=
1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL
b. Trọng lượng:
 Biểu thị bằng trọng lượng đơn vị (γ – TL riêng)
 Đối với chất lỏng đồng nhất, TL đơn vị được tính
bằng tích số của KLR (ρ) với gia tốc rơi tự do (g
= 9,81m/s2):
 Trong đĩ: G – Trọng lượng
 Đvới nước, ở +40C, γ= 9810 N/m3
3/,.. mN
V
Gg
V
Mg === 
1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL
c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và
nhiệt độ:
 Hầu như CL khơng thay đổi thể tích khi thay đổi
áp suất và nhiệt độ.
 Khi thay đổi áp suất:
 Trong đĩ: βw – hệ số co thể tích; dW – độ giảm
thể tích tương ứng với độ tăng áp suất dp.
Nm
dp
dW
Ww
/,.1 2−=
61.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL
c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và
nhiệt độ:
 Trong phạm vi: p = 1 – 500at và t = 0 – 200C thì
βw =0,00005cm2/kG ~ 0
 Mơ đun đàn hồi (K):
2/,.1 mN
dW
dpWK
w
−== 
1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL
c. Tính thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất và
nhiệt độ:
 Khi thay đổi nhiệt độ:
 Trong đĩ: βt – hệ số dãn nở vì nhiệt; dW – độ
biến đổi thể tích W ứng với sự tăng nhiệt độ lên
10C.
 T= 4 – 100C, p = const → βt = 0,000015 0C-1 ~ 0
10
,.
1
−
= C
dt
dW
Wt

Ví dụ 1: Nồi áp lực gồm phần trụ
tròn có đường kính d=1000mm, dài
l=2m; đáy và nắp có dạng bán cầu.
Nồi chứa đầy nước với áp suất p0.
Xác định thể tích nước cần nén
thêm vào nồi để tăng áp suất trong
nồi từ p0=0 đến p1=1000at. Biết hệ
số nén của nước là βp=4,112.10-5
cm2/kgf=4,19.10-10 m2/N. Xem như
bình không giản nở khi nén.
7Ví dụ 2: Dầu mỏ được nén trong xi lanh bằng thép
thành dày tiết diện đều như hình vẽ. Xem như thép
không đàn hồi. Cột dầu trước khi nén là h=1,5 m và
mực thuỷ ngân nằm ở vị trí A-A. Sau khi nén, áp
suất tăng từ 0 at lên 50 at, thì mực thuỷ ngân dịch
chuyển lên một khoảng Δh=4 mm. Tính suất đàn
hồi của dầu mỏ
1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL
d. Sức căng mặt ngồi:
 CL cĩ khả năng chịu được ứng suất kéo khơng
lớn tác dụng lên mặt tự do, phân chia CL với chất
khí hoặc mặt tiếp xúc CL với chất rắn.
 Sự xuất hiện sức căng mặt ngồi của CL là để
cân bằng sức hút của CL tại vùng lân cận mặt tự
do vì ở phần này sức hút giữa phân tử CL khơng
cân bằng nhau như ở vùng xa mặt tự do → CL cĩ
khuynh hướng giảm nhỏ diện tích mặt tự do
1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL
d. Sức căng mặt ngồi:
→ làm mặt tự do cĩ độ cong nhất định.
 Sức căng mặt ngồi được biểu thị bằng hệ số σ –
biểu thị sức kéo dính trên một đơn vị dài của
đường tiếp xúc, phụ thuộc: nhiệt độ và bản chất
của CL.
 Trong đa số trường hợp thủy lực, khơng xét đến
ảnh hưởng của sức căng mặt ngồi vì trị số nhỏ
so với những lực khác.
81.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL
e. Tính nhớt:
 Rất quan trọng → nguyên nhân gây tổn thất NL
khi CL chuyển động.
 Tính nhớt (υ) là biểu thị sức dính của các phân tử
CL. Tính nhớt giảm khi tăng nhiệt độ.
 Trong đĩ: υ–độ nhớt động học (m2/s hoặc cm2/s
(Stock); μ–độ nhớt động lực học; ρ–khối lượng riêng.
,
 =
1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL
e. Tính nhớt:
 1886, Newton đã đưa ra định luật ma sát: sức ma
sát giữa các lớp CL chuyển động tỷ lệ thuận với
diện tích tiếp xúc của các lớp ấy, khơng phụ
thuộc vào áp lực mà phụ thuộc vào vận tốc và
loại chất lỏng.
 CL nào tuân theo định luật này gọi là chất lỏng
Newton (CL thực). Mơn thủy lực nghiên cứu chất
lỏng Newton.
1.4. Những đặc tính vật lý chủ yếu của CL
f. Chất lỏng lý tưởng:
 Là CL khơng cĩ tính nhớt (hồn tồn khồn cĩ ma
sát trong chuyển động).
 Khi nghiên cứu CL tĩnh: khơng cần phân biệt
chất lỏng lý tưởng và CL thực.
 Khi nghiên cứu CL chuyển động: từ chất lỏng lý
tưởng sang CL thực cần tính thêm ảnh hưởng của
sức ma sát trong (tính nhớt).
91.5. Lực tác dụng
a. Lực thể tích: (lực khối lượng)
 Là lực tác dụng lên tất cả các phần tử trong khối
chất lỏng đang xét.
 Trong điều kiện phân bố điều của lực thể tích thì lực
này tỷ lệ với thể tích của CL.
 Trọng lượng, lực quán tính, là lực thể tích.
1.5. Lực tác dụng
b. Lực mặt: (lực bề mặt)
 Lực tác dụng lên mặt giới hạn khối chất lỏng
đang xét.
 Trong điều kiện phân phối điều, lực này tỷ lệ với diện
tích.
 Lực ma sát, áp lực khơng khí tác dụng lên mặt tự do
của CL là lực mặt.