Giáo trình Cơ học chất lưu

Cơ học chất lưu là một môn khoa học thuộc lĩnh vực cơ học, nghiên cứu các quy luật chuyển động và đứng yên của chất lưu và các quá trình tương tác của nó với các vật khác. Để tìm hiểu rõ và chuyên sâu hơn, mời các bạn cùng tham khảo giáo trình cơ học chất lưu dưới đây.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Cơ học chất lưu Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đối tượng, phạm vi và mục đích của học phần Cơ học chất lưu là một môn khoa học thuộc lĩnh vực cơ học, nghiên cứu cácquy luật chuyển động và đứng yên của chất lưu và các quá trình tương tác của nóvới các vật khác. Chất lưu bao gồm chất lỏng và khí giống như các môi trường liên tục, đượccấu tạo từ nhiều phân tử (chất điểm). Khác với vật rắn, các phân tử của chất lưu cóthể chuyển động hỗn loạn bên trong khối chất lưu, vì vậy chất lưu luôn có hìnhdạng thay đổi phụ thuộc hình dạng bình chứa. Chất khí khác với chất lỏng ở chỗ thể tích của một khối khí có thể thay đổiphụ thuộc thể tích bình chứa, khối lượng riêng hay mật độ phân tử của chất lỏnglớn hơn hàng ngàn lần so với của chất khí. Ở điều kiện bình thường, các phân tửcủa chất lỏng luôn giữ khoảng cách trung bình cố định ngay cả trong quá trìnhchuyển động hỗn loạn, vì vậy chất lỏng được xem là không chịu nén dưới tác độngcủa ngoại lực. Đối với chất khí, lực đẩy giữa các phân tử chỉ xuất hiện khi khoảngcách giữa các phân tử giảm khá nhỏ, cho nên ở điều kiện bình thường chất khí bịnén dễ dàng. Phạm vi nghiên cứu của học phần cơ học chất lưu là các trạng thái vật lý,các qui luật vận động và tương tác của chất lưu ở trạng thái tĩnh và động. Mục đích của học phần cơ học chất lưu là Trang bị cho người học nhữnghiểu biết nền tảng về các hiện tượng Vật lý xảy ra trong chất lưu, có kiến thức cơbản để giải quyết các bài toán về cơ học chất lưu. Có thể vận dụng kiến thức đểlàm việc trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: thiết kế các phương tiện vận chuyển;tính toán cho cấp, thoát nước, công trình thủy lợi và xây dựng, thiết kế các thiết bịthủy lực, … 1.2 Tính chất vật lý cơ bản của chất lưu1.2.1 Khối lượng riêng, trọng lượng riêng, tỷ trọng, thể tích Khối lượng riêng trung bình của chất lưu theo định nghĩa là khối lượng củamột đơn vị thể tích chất lưu: m   (1.1) V 1trong đó là khối lượng riêng trung bình, m là khối lượng của khối chất lưu có thểtích V. Trong khối chất lưu có thể có sự phân bố mật độ không đồng đều, khi đókhối lượng riêng  tại một điểm nào đó của chất lưu được tính bởi: m dm   lim  (1.2) V 0 V dV Trong hệ đơn vị SI,  có đơn vị là kg/m3. Trọng lượng riêng  của chất lưu là lực trọng trường tác dụng lên một đơn vịthể tích chất lưu:  = g (1.3)với g là gia tốc trọng trường tại vị trí của khối chất lưu Trong hệ đơn vị SI,  có đơn vị là N/m3. Trong thực tế còn dùng đơn vị kgf/m3, 1 kgf = 9,81 N Tỉ trọng  của một chất lưu là tỉ số của khối lượng riêng  của chất lưu đóđối với khối lượng riêng của nước:   (1.4) n Tại cùng vị trí thì g = const, do đó:   (1.4’) n Ví dụ: Nước có n = 1000 kg/m3  n = 9,81.103 N/ m3 Cồn có  = 780 kg/m3  tỉ trọng của cồn  = 0,78 Thể tích riêng Vi của chất lưu được định nghĩa là thể tích của một đơn vịkhối lượng chất lưu: 1 Vi  (m3/kg) (1.5)  Chú ý: khối lượng một vật không thay đổi nhưng trọng lượng (riêng) thayđổi do gia tốc trọng trường g thay đổi theo vĩ độ và độ cao trên mặt đất.1.2.2 Tính nén được Đối với chất lỏng hệ số (suất hay modun) đàn hồi K được định nghĩa: 2 dp K  V (1.6) dV Do M = ρV => dM = ρdV + Vdρ = 0, nên: dp K (1.6’) d Ví dụ: ở 20o C nước có suất đàn hồi Knước = 2,2 109 N/m2 Chất lưu được xem là không nén được khi khối lượng riêng thay đổi khôngđáng kể ( = const). Chất lỏng thường được xem là không nén được trong hầu hếtcác bài toán kỹ thuật. Ví dụ: Một xilanh chứa 0,1 lít nước ở 20 oC. Nếu ép pitton để thể tích giảm1 % thí áp suất trong xilanh tăng lên bao nhiêu? Giải: Ở 20o C, suất đàn hồi của nước Kn = 2,2.109 N/m2 dV Thể tích giảm 1 %   -1/100 V dV Vậy áp suất tăng: dP = – K = 2,2.109.10-2 = 2,2.107 N/m2 n V Hệ số nén p được xác định bằng biểu thức: dV / Vo p   (1.7) dpvới p là áp suất tuyệt đối, Vo là thể tích ban đầu của chất lưu. Suất đàn hồi K thường dùng cho chất lỏng, hầu như là hằng số, rất ít phụthuộc vàp áp suất và nhiệt độ. Hầu hết các loại chất lỏng đều rất khó nén nên đượcxem như là chất lưu không nén được. Một dòng khí chuyển động với vận tốc nhỏ thì sự thay đổi khối lượng riêngkhông đáng kể nên vẫn được xem là chất lưu không nén được. Khi dòng khí chuyển động với vận tốc lớn hơn 0,3 lần vận tốc âm thanh (100 m/s) thì được xem là chất lưu nén được. Đối với chất khí, hầu hết các khí thực ở điều kiện bình thường được x ...