2 Đối tượng nghiên cứu- lưu chất là gì?  Phân biệt chất rắn- chất lỏng – chất khí

1. Mục đích môn học – Đối tượng

và phương pháp nghiên cứu

1.2 Đối tượng nghiên cứu- lưu chất là gì?

 Chất lỏng và chất khí: lưu chất – môi trường liên tục,

quan điểm này cho phép mô tả đặc trưng của lưu chất (áp suất,

vận tốc, nhiệt độ, khối lượng riêng..) tại một điểm (x,y,z) bất kỳ

tại một thời điểm t tùy ý như là các hàm liên tục.

 Tính chất ảnh hưởng rõ nét nhất đến sự khác biệt của

chất khí và lỏng là tính nén được – sự thay đổi của khối

lượng riêng. Thông thường, chất lỏng là lưu chất không nén được

(khối lượng riêng là hằng số) và chất khí là lưu chất dễ nén

 Lý thuyết về chất lỏng và chất khí tương tự như nhau cho

trường hợp chuyển động với vận tốc thấp khi ảnh hưởng của tính

nén được của lưu chất có thể được bỏ qua

 Khi chuyển động ớ vận tốc lớn (số Mach>0.3: vận tốc

chuyển động lớn hơn 0.3 lần vận tốc âm thanh), đặc tính chịu

nén của chất khí có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất dòng

chuyển động chất khí được nghiên cứu bằng lý thuyết riêng:

khí động lực học



TYPES OF AERODYNAMIC FLOW

AERODYNAMICS



A. Continuum flow



B. Low-density and freemolecule flows



C. Viscous flow



D. Inviscid flow



E. Incompressible flow

F. Compressible flow



G. Subsonic

flow



H. Transonic

flow



I. Supersonic

flow



J. Hypersonic

flow



1. Mục đích môn học – Đối tượng

và phương pháp nghiên cứu

1.3 Phương pháp nghiên cứu- cơ lưu chất nghiên cứu vấn đề gì?

 Ứng xử của lưu chất ở trạng thái tĩnh và động

 Ứng xử và tương tác giữa lưu chất và thành rắn/cố thể

• Nội lưu: trường hợp lưu chất được chứa đựng hay bao quanh bởi

thành rắn: bài toán chuyển động lưu chất, chuyển biến năng lượng

của dòng chuyển động thành cơ năng hay nhiệt năng dưới dạng khí

nén, hơi nước, nước nóng…

• Ngoại lưu: trường hợp lưu chất bao quanh cố thể

 Trường lưu chất được phân chia thành những phần tử đủ nhỏ để

được xem là đồng nhất, gọi là phần tử lưu chất. Sự trao đổi và tương

tác ớ cấp độ phân tử giữa các phần tử lưu chất kế cận: khối lượng,

động lượng, năng lượng.

 Để diễn tả thành các phương trình các hiện tượng trao đổi và tương

tác như trên, chúng ta dựa trên nền tảng các nguyên lý cơ bản của cơ

học cổ điển và nhiệt động lực học:

• Định luật bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục)

• Định luật bảo toàn động lượng (định luật II Newton)

• Định luật bảo toàn năng lượng



1. Mục đích môn học – Đối tượng

và phương pháp nghiên cứu

1.3 Phương pháp nghiên cứu- cơ lưu chất nghiên cứu

vấn đề gì?

 Phương pháp giải tích: xây dựng cơ sở lý thuyết dựa

trên đặc tính về hình học và các giả thiết tính toán (lưu chất

không ma sát, không nén được…) để giải các phương trình

bảo toàn lý thuyết nghiên cứu cổ điển, ứng dụng cho một

số vấn đề cụ thể

 Phương pháp tính toán mô phỏng số: giải các phương

trình bảo toàn cho các bài toán phức tạp mà phương pháp

giải tích không thực hiện được nhờ sự phát triển mạnh mẽ

của máy tính và các công cụ tính toán

 Phương pháp thực nghiệm: sử dụng kết quả thực

nghiệm, phân tích tổng hợp để đưa ra các quy luật mô tả

trạng thái và ứng xử của lưu chất công thức thực nghiệm,

bổ sung cho lý thuyết và giúp chúng ta kiểm chứng các lời

giải bằng phương pháp giải tích và phương pháp số



The bigger picture – The three equal partner of

modern aerodynamics



Pure

experiment



Pure theory



Computational

Fluid Dynamics



2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất

2.1 Khối lượng riêng – Trọng lượng riêng – Tỷ trọng

 Khối lượng riêng ρ của một chất là mật độ khối lượng

trong một đơn vị thể tích của chất đó



∆m m

mass − M

kg

ρ = lim

= =

= 3

3

∆V → 0 ∆V

V [length − L]

m



Trọng lượng riêng γ của một chất là lực trọng trường tác

dụng lên khối lượng của một đơn vị thể tích chất đó

γ =[kg/m3.m/s2]=[N/m3]

= g g=9.81m/s2 – gia tốc trọng trường

Tỷ trọng δ là tỷ số giữa trọng lượng riêng γ của một chất

với trọng lượng riêng của nước ở điều kiện tiêu chuẩn (20 oC)



γ



ρ



δ = γ / γ H 2O



Nước



Thủy ngân



Không khí



ρ [kg/m3]



1000



13600



1.228



γ [N/m3]



9.81.103



133.103



12.07



 Khối lượng riêng phụ thuộc vào trạng thái của lưu chất:

áp suất, nhiệt độ



2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất

2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất

 Tính nhớt là tính chất đặc trưng cho lực cản ma sát



chống lại chuyển động. Đây là tính chất quan trọng chỉ

thể hiện khi lưu chất chuyển động (Động học lưu

chất>
Để diễn tả tính chất này bằng một đại lượng vật lý,

nhà khoa học COUETTE đã xây dựng một thí nghiệm đo

tính nhớt



2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất

2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất

Thí nghiệm COUETTE

 Phân tích thực nghiệm cho

thấy, ứng suất (lực/một đơn vị

diện tích) tỉ lệ thuận với vận

tốc kéo U và tỉ lệ nghịch với

khoảng cách h theo một hằng

số tỉ lệ gọi là μ



F

U

τ = =µ

A

h

Khi vận tốc dịch chuyển của tấm phẳng trên đủ nhỏ, lưu chất chuyển

động mà không hòa trộn vào nhau, thành từng lớp mỏng song song với

mặt phẳng – chuyển động tầng. Lớp trên tương tác với lớp dưới qua ma

sát và truyền cho nó một vận tốc giảm dần theo khoảng cách giữa hai

tấm phẳng

 Phân bố vận tốc theo quy luật tuyến tính



2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất

2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất



F

U

τ = =µ

A

h

Định luật Newton



dU

τ

τ =µ

⇒µ=

dy

dU

dy



dU

dy



Biến thiên vận tốc theo

phương vuông góc với

chuyển động (phương y)



2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất

2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất

 Một cách tổng quát : Định luật Newton (áp dụng cho

chuyển động tầng)



dU

τ

τ =µ

⇒µ=

dy

dU

dy



dU

dy



 N / m2 



 =  N .s / m 2  = [ Pa.s ]

µ=



[ m / s / m] 



µ [ N .s / m 2 ]

=

= [m 2 / s ]

 ν =

ρ [kg / m3 ]



Biến thiên vận tốc theo

phương vuông góc với

chuyển động (phương y)

hệ số nhớt động lực học

(1poise=0.1Pa.s)



hệ số nhớt động học (1stoke=10-4m2/s)



Nước



Không khí



μ, poise



1.10-2



1.8.10-4



γ, stoke



0.01



0.15



2. Các tính chất vật lý cơ bản của lưu chất

2.2 Tính nhớt – tính chất ma sát của lưu chất



 Phân loại lưu chất:

• Lưu chất Newton: hầu hết

lưu chất có hệ số nhớt

μ=const. Lưu chất có hệ số

nhớt không phụ thuộc biến

thiên vận tốc du/dy

• Lưu chất phi Newton: lưu

chất có hệ số nhớt phụ

thuộc vào biến thiên vận tốc

(gradient vận tốc) du/dy