Cơ học chất lưu – Wikipedia tiếng Việt

Cơ học chất lưu, hay còn được gọi là cơ học thủy khí, nghiên cứu sự cân bằng và chuyển động của các phần tử vật chất vô cùng nhỏ có thể dễ dàng di chuyển và va chạm với nhau trong không gian. Với cơ học chất lưu, một cách tương đối có thể chia thành hai nhóm:

1. Nghiên cứu chất thể lỏng (nước, dầu, rượu…) có thể tích thay đổi rất ít khi có tác động của áp suất và nhiệt độ (còn gọi là chất lưu không nén).
2. Nghiên cứu các hiện tượng vật lý của chất thể khí và hơi, dễ bị thay đổi thể tích dưới tác động của áp suất và nhiệt độ. (còn gọi là chất lưu nén).

Sự đổi khác thể tích của vật chất không riêng gì phụ thuộc vào vào cấu trúc phân tử, mà còn nhờ vào vào ảnh hưởng tác động của ngoại lực hoặc nhiệt độ. Do đó trong một số ít trường hợp còn phải kể đến năng lực nén được của chất lỏng. Ví dụ như trong máy ép thuỷ lực, tuy môi chất thường thì là dầu, nhưng dưới áp suất cao, khối lượng riêng của chúng cũng biến hóa đáng kể .Một trong những đặc thù quan trọng của những chất lưu là lực ma sát trong giữa những dòng hoạt động. Lực ma sát này thường được gọi là độ nhớt. Khi mà độ nhớt nhờ vào vào lực gây ra sự trượt giữa những dòng hoạt động thì ta gọi dòng chảy đó là phi Newton. Còn nếu như độ nhớt chỉ nhờ vào vào sự chênh lệch tốc độ giữa những dòng chảy thì ta gọi đó là dòng chảy theo Newton .

Các giả sử[sửa|sửa mã nguồn]

Cũng giống như bất cứ mô hình toán học nào về thế giới thực, cơ học chất lưu phải đưa ra một giả thiết cơ bản về các chất lưu đang được nghiên cứu. Những giả sử này được biến thành các phương trình phải được thỏa mãn nếu như các giả thiết đó là đúng. Ví dụ, hãy xét một chất lưu không nén trong không gian 3 chiều. Giả sử bảo toàn khối lượng có nghĩa là với mọi mặt đóng cho trước (chẳng hạn mặt cầu) tỷ lệ khối lượng chảy từ “bên ngoài” vào “bên trong” mặt đó phải cùng với tỷ lệ khối lượng chảy theo các hướng “bên trong” ra “bên ngoài”. (Nói cách khác, khối lượng “bên trong” vẫn là không đổi, cũng như khối lượng “bên ngoài”). Điều này có thể được chuyển thành một phương trình tích phân trên mặt đóng đó.

Cơ học chất lưu giả thiết rằng mọi chất lưu thỏa mãn nhu cầu những điều sau đây :
Hơn nữa, khá hữu dụng ( và thực tiễn ) để giả sử chất lưu là không nén được – nghĩa là tỷ lệ của chất lưu là không đổi. Các chất lỏng thường hoàn toàn có thể mô phỏng như chất lưu không nén được, trong khi những chất khí thường không thỏa mãn nhu cầu điều đó .

Tương tự như vậy, đôi khi người ta giả thiết độ nhớt của chất lưu là 0. Các loại khí thường được giả thiết là không nhớt. Nếu một chất lưu là có độ nhớt, và dòng chảy của nó bị giới hạn một cách nào đó (thí dụ, trong một ống), thì dòng tại biên phải có vận tốc bằng 0. Với một chất lưu nhớt, nếu biên là không xốp (non-porous), các lực cắt giữa chất lưu và biên cũng đưa ra kết quả là vận tốc của chất lưu là 0 tại biên. Đó là điều kiện không trượt. Đối với môi trường xốp, tại biên với thùng chứa, điều kiện trượt tương ứng với vận tốc khác 0, và chất lưu có một trường vận tốc không liên tục giữa chất lưu tự do và chất lưu trong môi trường xốp (điều này liên quan tới Điều kiện Beavers và Joseph).

Giả thuyết môi trường tự nhiên[sửa|sửa mã nguồn]

Chất lưu được cấu thành từ các phân tử va chạm lẫn nhau và va chạm vào các vật rắn. Tuy vậy, giả thuyết về một môi trường liên tục (continuum hypothesis) xem chất lưu là liên tục. Nghĩa là, các tính chất như mật độ, áp suất, nhiệt độ, và vận tốc coi như được định nghĩa trên những điểm nhỏ “vô hạn”, định ra một phần tử thể tích tham khảo (reference element of volume, REV), tại kích cỡ so được với khoảng cách giữa hai phân tử chất lưu kề cận nhau. Các tính chất được giả sử là biến đổi một cách liên tục từ điểm này sang điểm khác, và là giá trị trung bình trong REV. Sự thực là chất lưu được cấu thành từ các phân tử rời rạc được bỏ qua.

Giả thuyết thiên nhiên và môi trường về thực chất là một xê dịch, trong cùng phương pháp những hành tinh được xê dịch bởi những điểm khi thống kê giám sát trong cơ học thiên thể, và do đó chỉ đưa ra những giải thuật giao động. Do đó, giả thuyết về thiên nhiên và môi trường hoàn toàn có thể dẫn tới những tác dụng không nằm trong độ đúng chuẩn mong ước. Tuy vậy, dưới những điều kiện kèm theo thích hợp, giả thuyết về môi trường tự nhiên vẫn đưa ra được những hiệu quả đúng mực .Những bài toán mà giả thuyết thiên nhiên và môi trường không đưa ra được lời giải với độ đúng mực mong ước sẽ được giải bằng cơ học thống kê. Để xác định liệu là giải pháp thường thì của động học lưu chất hay cơ học thống kê nên được sử dụng, số Knudsen được nhìn nhận cho bài toán. Số Knudsen được định nghĩa như thể tỉ số giữa độ dài đường tự do trung bình ở Lever phân tử với một đại lượng độ dài vật lý đại diện thay mặt nào đó. Tỉ số độ dài này hoàn toàn có thể là nửa đường kính của một vật thể trong chất lưu. ( Nói một cách đơn giản hóa, số Knudsen là số lần trung bình mà đường kính của một hạt phải chuyển dời trước khi va chạm phải hạt khác ). Những bài toán mà số Knudsen lớn hơn hay bằng 1 được xử lý thỏa đáng với cơ học thống kê với những giải thuật đồng ý được .

Định luật Pascal[sửa|sửa mã nguồn]

Trạng thái cân bằng của chất lưu

Trạng thái cân đối là trạng thái mà ở đó không có sự hoạt động tương đối giữa những phần khác nhau trong chất lưu ; ở đây ta bỏ lỡ sự hoạt động hỗn loạn của những phân tử chất lưu. Một ly nước đứng yên trên bàn là một ví dụ về trạng thái cân đối .

Ðịnh luật Pascal

Khi chất lưu ở trạng thái cân bằng thì áp suất tại một điểm trong lòng chất lưu là phân bố đều theo mọi phương. Nghĩa là áp suất tại điểm đó phân bố theo mọi phương có độ lớn bằng nhau.

Định luật Pascal được phát biểu như sau : ” Áp suất chất lỏng do ngoại lực công dụng lên mặt thoáng được truyền nguyên vẹn tới mọi điểm trong lòng chất lỏng ” .

Phương trình liên tục của chất lỏng[sửa|sửa mã nguồn]

Chất lỏng lý tưởng

Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng mà ta hoàn toàn có thể bỏ lỡ lực ma sát nhớt của những phần bên trong chất lỏng khi hoạt động tương đối với nhau. Ðối với chất lỏng lý tưởng, ta sẽ trình diễn đường đi của một phân tử chất lưu bằng một đường dòng mà tiếp tuyến với nó tại mọi điểm có phương chiều trùng với véc tơ tốc độ của chất lưu tại điểm đó. Tập hợp hàng loạt những đường dòng trình diễn cho cả khối chất lưu được gọi là ống dòng .Nếu tất cả chúng ta cắt ống dòng bằng một mặt phẳng S vuông góc đồng thời với những đường dòng, thì tại mọi điểm trên diện tích quy hoạnh S này tốc độ những phân tử sẽ có độ lớn bằng nhau .

Phương trình liên tục

Phương trình liên tục chính là định luật bảo toàn khối lượng đối với chất lưu. Đối với chất lưu không nén được, khi xét một thể tích tham khảo thì lưu lượng chất đi vào phải bằng lưu lượng chất đi ra thể tích đó. Nghĩa là, trong hệ tọa độ Descartes với u, v, w là các thành phần vận tốc trên các phương x, y, z, ta có:

∂ u ∂ x + ∂ v ∂ y + ∂ w ∂ z = 0 { \ displaystyle { \ frac { \ partial u } { \ partial x } } + { \ frac { \ partial v } { \ partial y } } + { \ frac { \ partial w } { \ partial z } } = 0 }

hoặc là (với

u

{\displaystyle \mathbf {u} }

là vec tơ lưu tốc):

d i v u = 0 { \ displaystyle \ mathrm { div } \ mathbf { u } = 0 }

Phương trình Bernoulli[sửa|sửa mã nguồn]

Phương trình Bernoulli (Béc-nu-li) mô tả biến đổi năng lượng của dòng nước. Chính xác hơn, định luật Bernoulli viết cho một dòng tia nước như sau:

E
=

z

1

+

p

1

/

γ
+

u

1

2

/

2
g
=

z

2

+

p

2

/

γ
+

u

2

2

/

2
g
+

h

w

{\displaystyle E=z_{1}+p_{1}/\gamma +u_{1}^{2}/2g=z_{2}+p_{2}/\gamma +u_{2}^{2}/2g+h_{w}}

trong đó các chỉ số 1 và 2 ứng với các vị trí trên dòng chảy,

z

{\displaystyle z}

là cao độ,

p

{\displaystyle p}

là áp suất,

u

{\displaystyle u}

là vận tốc dòng,

g

{\displaystyle g}

là gia tốc trọng trường và

h

w

{\displaystyle h_{w}}

là cột nước tổn thất.

Chất lưu Newton và chất lưu phi Newton[sửa|sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa|sửa mã nguồn]

Source: https://mix166.vn
Category: Thuật Ngữ