- i -
LỜI CẢM ƠN
Thông qua thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đề tài, nhóm không những được
củng cố mà còn hiểu biết nhiều hơn về lượng kiến thức mình đã được học tại
trường. Đây là mảng đề tài còn khá mới lạ, chính vì vậy trong quá trình nghiên cứu
và thực hiện đề tài đã gặp không ít những khó khăn. Sau đây nhóm xin gửi lời cảm
ơn đến các thầy (cô) cùng tập thể đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện đề tài.
Trước hết nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy Th.S Lê Nguyễn Anh Vũ giáo
viên giảng dạy môn học Cơ học chất lỏng thuộc Bộ môn Cơ học - Vật liệu, Khoa
Kỹ thuật tàu thủy – trường Đại học Nha Trang đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để
giúp đỡ nhóm trong quá trình nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành đề tài này.
Tiếp theo nhóm xin chân thành cảm ơn cơ sở cơ khí Phúc Thành, số 1.01
đường 23/10 – Nha Trang đã giúp đỡ nhóm trong việc chế tạo mô hình.
Nhóm cũng gửi lời cảm ơn đến các thầy (cô) khoa Kỹ thuật tàu thủy đặc biệt là
các thầy thuộc bộ môn Cơ học - Vật liệu đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất
và trang thiết bị trong quá trình thực hiện đề tài.
Cuối cùng nhóm xin chân thành cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn bên
cạnh ủng hộ và giúp đỡ nhóm.
Một lần nữa nhóm xin thành thật tri ân sự giúp đỡ, sự hỗ trợ động viên quý
báu của tất cả mọi người. Xin trân trọng cảm ơn!
Nha Trang, tháng 07 năm 2011
NHÓM TÁC GIẢ
TRẦN HUỲNH ĐỆ & LƯU MINH KHÁNH
Nhóm tác giả
Trần Huỳnh Đệ & Lưu Minh Khánh
- iii - MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN i
LỜI NÓI ĐẦU ii
MỤC LỤC iii
CÁC KÝ HIỆU viii
PHỤ LỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ x
PHỤ LỤC BẢNG VẼ x
PHỤ LỤC HÌNH ẢNH xi
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.1. LÝ DO THƯC HIỆN ĐỀ TÀI 1
1.2. MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1
1.2.1. Mục đích và ý nghĩa đề tài 1
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu 2
1.3. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 2
1.4. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU VÀ BỐ CỤC NỘI DUNG 3
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài 3
1.4.2. Bố cục nội dung đề tài 3
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DÒNG CHẢY
QUA CÁNH 5
3.2.1.1. Quỹ đạo, đường dòng 28
3.2.1.2. Dòng nguyên tố, dòng chảy 28
3.2.2. Chuẩn số Reynold và sự chuyển hóa từ chảy tầng sang chảy rối 29
3.2.2.1. Hiện tượng chảy đều tầng 29
3.2.2.2. Hiện tượng chảy cuộn xoáy (chảy rối) 30
3.2.3. Đặc trưng của dòng lưu chất qua vật thể 31
3.3. CÁC PHƯƠNG TRÌNH DÒNG CHẢY 32
- v - 3.3.1. Phương trình liên tục đối với chất lỏng không nén 32
3.3.2. Phương trình Bernoulli của dòng chảy 33
3.3.2.1. Phương trình Bernoulli đối với chất lỏng lý tưởng 33
3.3.2.2. Phương trình Bernoulli đối với chất lỏng thực dòng chảy ổn định 34
3.4. LÝ THUYẾT LỚP BIÊN 35
3.4.1. Khái niệm và phân loại 35
3.4.1.1. Khái niệm 35
3.4.1.2. Phân loại lớp biên 35
3.4.2. Sự phát triển của lớp biên 36
3.4.3. Phương trình chuyển động của chất lỏng thực bên trong lớp biên 37
3.5. LÝ THUYẾT CÁNH 39
3.5.1. Các đặc trưng hình học 39
3.5.2. Các đặc trưng thủy động lực học 40
3.5.3. Giới thiệu cánh NACA và chương trình vẽ cánh 42
3.5.3.1. Khái niệm 42
3.5.3.2. Các thông số hình học và phương trình 4 chữ số của cánh NACA 43
3.5.3.3. Phương trình cánh NACA với 4 chữ số 43
3.5.3.4. Giới thiệu về chương trình vẽ cánh NACA 45
3.6. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG CHẤT LỎNG TRONG KÊNH HỞ 46
3.6.1. Định nghĩa dòng chảy ổn định trong kênh hở 46
4.4.1. Quy trình thiết kế - chế tạo cánh 66
4.4.2. Thiết bị tạo tia màu 71
4.4.3. Cơ cấu điều chỉnh góc cánh 75
4.4.4. Thiết bị điều chỉnh lưu tốc và nguồn cấp 77
4.4.4.1. Thiết bị điều chính lưu tốc 77
4.4.4.2. Thiết bị xả và cấp nước cho dòng 77
4.4.5. Thiết bị lọc bẩn và làm giảm rối 79
4.4.6. Bảng tổng hợp các thông số mô hình 80
CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 81
5.1. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 81
- vii - 5.1.1. Mục đích và yêu cầu thí nghiệm 81
5.1.2. Công cụ và thiết bị thí nghiệm cần chuẩn bị 81
5.1.3. Tiến hành thí nghiệm 83
5.2. NHẬN XÉT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 85
5.2.1. Nhận xét chung về đặc trưng dòng chảy khi gặp cánh 85
5.2.2. Ảnh hưởng của hình dạng vật thể đến đặc trưng dòng chảy 86
5.2.3. Ảnh hưởng của góc tới đến đặc trưng dòng chảy 88
5.3. HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH 90
5.3.1. Điều chỉnh cửa xả 90
5.3.2. Thay đổi vị trí cánh 91
5.3.3. Tăng vận tốc dòng chảy 92
5.4. BẢNG TỔNG HỢP CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH 93
CHƯƠNG 6: NHẬN XÉT VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 94
6.1. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 94
6.1.1. Thành công đạt được 94
Hệ số mômen của cánh
D Kích thước vật thể có dòng chảy đi qua
i Độ dốc đáy kênh
K Môđun lưu lượng
k Hệ số phụ thuộc vào độ nhám thành kênh
g Gia tốc trọng trường trong chất lỏng g = 9,81m/s
2
h Chiều cao mặt thoáng chất lỏng trong kênh nước
m Độ cong lớn nhất của cánh (chữ số thứ nhất trong 4 chữ số)
n Hệ số nhám thành kênh
Re Hệ số Reynolds
P Chu vi mặt cắt ướt
α Góc thể hiện độ dốc đáy kênh/ đối với cánh là góc tới
λ
Độ dang tương đối của cánh:
2
l
S
λ
=
t
Chiều dày tương đối biên dạng cánh
b
t
t
max
=
Sơ đồ 4.2: Sơ đồ quy trình thiết kế - chế tạo cánh NACA 66
Bảng 4.1: Bảng tổng hợp thông số sơ bộ mô hình 80
Bảng 5.1: Ảnh hưởng của hình dạng vật thể đến đặc trưng dòng chảy 80
Bảng 5.2: Ảnh hưởng của góc tới đến đặc trưng dòng chảy 90
Bảng 5.3: Bảng tổng hợp các thông số và tính năng mô hình 93PHỤ LỤC BẢN VẼ
Bảng vẽ 1: Bảng vẽ 2D thể hiện các kích thước của mô hình Kèm luận văn
Bảng vẽ 2: Bảng vẽ 3D thể hiện hình dạng của mô hình Kèm luận văn
- xi - PHỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Mô hình dòng khói –Đại học Bách Khoa TP HCM 6
Hình 2.2: Kích thước phần thí nghiệm mô hình dòng khí. 6
Hình 2.3: Kích thước tổng thể mô hình dòng khí 7
Hình 2.4: Cánh NACA 2412 8
Hình 2.5: Tọa độ cánh NACA 2412 8
Hình 2.6: Kích thước biên dạng profin cánh NACA 2412 9
Hình 2.7: Các dạng vật cản khác được sử dụng cho mô hình dòng khí 9
Hình 2.8: Thiết bị thổi và tạo khí màu 10
Hình 2.9: Đồ thị xác định vận tốc dòng chảy 10
Hình 2.10: Hình ảnh dòng khí qua cánh NACA 2412 11
Hình 2.11: Hình ảnh dòng khí qua khối trụ tròn 12
Hình 2.12: Mô hình dòng chất lỏng qua cánh 2D 13
Hình 2.13: Thiết bị điều chỉnh lưu tốc 14
Hình 3.14: Lớp biên được tách thành 2 phần khi tiếp xúc vật thể 37
Hình 3.15: Hình ảnh minh họa cho phương trình Navier – Stokes 37
Hình 3.16: Kí hiệu các thông số của cánh 39
Hình 3.17: Lực nâng và mômen tác dụng lên cánh chuyển động trong lưu chất 41
Hình 3.18: Đồ thị quan hệ giữa hệ số lực nâng và hệ số lực cản của cánh với góc tới
và số Re 42
Hình 3.19: Thông số hình học của cánh NACA 43
Hình 3.20: Các thông số của phương trình 4 chữ số 44
Hình 3.21: Profin cánh đối xứng 0020 44
Hình 3.22: Profin cánh cong NACA 2412 45
Hình 3.23: Chương trình thiết kế cánh DESIGNFOIL_R6_DEMO 46
Hình 3.24:Dòng chảy trên sông và mặt cắt ướt của dòng chảy 47
Hình 3.25:Ký hiệu kích thước mặt cắt ướt hình thang cân và hình tròn 47
Hình 3.26: Phân bố vận tốc trong ống 48
Hình 3.27: Kênh có mặt cắt ướt hình thang cân 51
Hình 4.1: Kích thước mặt cắt ngang của kênh 59
Hình 4.2: Sự kéo giãn các lớp chất lỏng khi MCN hẹp dần 61
- xiii - Hình 4.3: Kích thước khu vực thượng lưu và vùng chuyển tiếp 61
Hình 4.4: Kích thước khu vực hạ lưu 62
Hình 4.5: Vị trí của cánh trong kênh 63
Hình 4.6: Phát thảo kích thước tổng thể kênh nước 63
Hình 4.7: Mô phỏng 3D kênh nước 64
Hình 4.8: Thép tấm dùng chế tạo kênh 64
Hình 4.9: Uốn thép để chế tạo kênh 65
Hình 4.10: Liên kết mica vào thép 65
Hình 4.11: Làm kín nước 65
Hình 4.12: Hoàn thiện kênh nước 66
Hình 4.37: Hoàn thiện mô hình 80
Hình 5.1: Tổng thể mô hình thiết kế 81
Hình 5.2: Hệ thống tạo tia màu 82
Hình 5.3: Các vật thể được sử dụng 82
Hình 5.4: Hệ thống van và ống dẫn 83
Hình 5.5: Thí nghiệm với cánh NACA 0020 85
Hình 5.6: Thí nghiệm với cánh NACA 6320 86
Hình 5.7: Thí nghiệm với cánh NACA 6720 87
Hình 5.8: Thí nghiệm với cánh NACA 9816 87
Hình 5.9: Thí nghiệm với vật thể có hình trụ tròn 87
Hình 5.10: Thí nghiệm với cánh NACA 0020 ở 20
0
89
Hình 5.11: Thí nghiệm với cánh NACA 0020 ở -20
0
89
Hình 5.12: Hiệu chỉnh cửa xả 91
Hình 5.13: Hiệu chỉnh cơ cấu cố định và di chuyển cánh. 92
Hình 5.14: Hiệu chỉnh chiều cao mặt thoáng 92
Hình 6.1: Kết cấu thiết bị dẫn mực 95
Hình 6.2: Cơ cấu góc xoay 95
- 1 - CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Cơ học chất lỏng là môn học quan trọng trong ngành vật lý học đòi hỏi sự kết
hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Vì vậy, cần phải có những
Việc thực hiện đề tài là một quá trình nghiên cứu lâu dài và khó khăn bởi
lượng kiến thức và nguồn tài liệu được cung cấp còn hạn chế. Tuy nhiên sau quá
trình tìm hiểu và nghiên cứu nhóm đã tìm ra được phương pháp tiến hành đề tài
theo hướng như sau:
- Kết hợp lý thuyết và các mô hình mẫu để thiết kế kích thước và thiết bị cho
mô hình (nguồn tài liệu có được từ sách, báo và internet)
- Sau khi chế tạo mô hình tiến hành thử nghiệm để chọn lại các kích thước,
lựa chọn các thiết bị cho phù hợp.
1.3. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Mô hình dòng chảy qua cánh là một phương tiện thực nghiệm kiểm tra các
hiện tượng dòng chảy đi qua các vật cản rắn hoặc tiếp xúc với bề mặt của nó. Vật
cản được sử dụng là cánh 3D có biên dạng profin của cánh NACA (ngoài ra còn sử
dụng các vật cản khác như: hình cầu, trụ tròn hay tấm phẳng,…). Dòng chảy này
được thực hiện bằng cách cho thuốc nhuộm hoặc khói (đối với khí) hoặc chất màu
vào dòng chảy tại vị trí cần thí nghiệm. Ưu điểm chính của phương pháp này là khả
năng mô tả hình ảnh của dòng chảy mà không cần tính toán các thông số phức tạp.
Chính vì vậy số lượng công việc cũng đỡ phức tạp đi, việc tính toán các thông số
cũng tương đối đơn giản, và khi thực hiện mô hình cái chính là đi chọn các kích
thước sao cho phù hợp tính chất cũng như điều kiện của dòng chảy lỏng như: độ
nhớt, hệ số cản, số Reynold, áp lực,…
Trong mô hình này ta phải tạo được hai vùng của cùng một dòng chảy, vùng
thứ nhất là vùng mà dòng chảy trong kênh chảy theo một trạng thái đều tầng,
khoảng cách các lớp đều với nhau.
- 3 - Vùng thứ 2 là vùng mà sau khi dòng chảy đi qua cánh, tại đây xảy ra hiện
tượng tách lớp biên và tạo nên một vùng chảy hỗn loạn phía sau cánh (chảy rối).
Bên cạnh đó thông qua mô hình dòng chảy này ta có thể đo được lưu lượng
cũng như suy ra được vận tốc dòng chảy để từ đó so sánh với lý thuyết.
trong nội dung đề tài. Chương này trình bày tiến trình thiết kế các kích thước mô
hình, các thiết bị hỗ trợ thí nghiệm từ đó tiến hành chế tạo mô hình.
5. Chương 5: thí nghiệm và hiệu chỉnh. Với mô hình đã được chế tạo tiến
hành thử nghiệm để kiểm tra các đặc trưng dòng chảy từ đó rút ra những kết luận và
hiệu chỉnh mô hình
6. Cuối cùng, chương 6 là phần nhận xét và đề xuất ý kiến.
- 5 - CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
VỀ MÔ HÌNH DÒNG CHẢY QUA CÁNH
Trước khi nghiên cứu về mô hình dòng chảy qua cánh cần phải giải quyết một
số câu hỏi như sau: Đối với mô hình dòng chảy qua cánh thì trong nước cũng như
thế giới đã thực hiện được những gì? Họ thực hiện như thế nào? Đối với trường đại
học Nha Trang nhóm đã tìm hiểu được những gì cho việc thực hiện đề tài?
2.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH ĐÃ THỰC HIỆN Ở NƯỚC TA
Thông qua quá trình đi thực tế tại đại học Bách Khoa TP HCM nhóm đã tìm
hiểu một số mô hình về dòng lưu chất thuộc Bộ môn Cơ lưu chất – Khoa Kỹ thuật
giao thông – đại học Bách Khoa TP HCM. Sau đây nhóm sẽ giới thiệu một số mô
hình về dòng lưu chất mà nhóm đã tìm hiểu.
2.1.1. Mô hình dòng đường hầm khói (TN1)
2.1.1.1. Tổng quan về mô hình
Đây là mô hình thí nghiệm về dòng khói chảy qua các vật thể có hình dạng chủ
yếu là biên dạng cánh mỏng và các vật thể có dạng hình trụ tròn, hình cầu và tấm
phẳng được các giảng viên và sinh viên khoa kỹ thuật giao thông trường ĐH Bách
Khoa TP-HCM sử dụng để nghiên cứu về các hiện tượng của dòng chảy. Mô hình
có tên khoa học là Smoke Flow Visualization Tunnel - hình ảnh dòng khói trong
kênh. Đây là mô hình do Pháp tài trợ với kinh phí lên đến 1000USD. Để tiện cho
Hình 2.4: Cánh NACA 2412.[1]
Profin của cánh NACA đã được tiêu chuẩn hóa với các tọa độ như sau:
Hình 2.5: Tọa độ cánh NACA 2412.[1]
Kích thước biên dạng profin:
- 9 -
Hình 2.6: Kích thước biên dạng profin cánh NACA 2412.[1]
Ngoài cánh NACA ra mô hình này còn sử dụng thí nghiệm với các dạng vật
cản khác như: khối hình trụ tròn, hình cầu, tấm phẳng,…
Hình 2.7: Các dạng vật cản khác được sử dụng cho mô hình dòng khí.[1]
b. Thiết bị tạo khói màu
Đối với mô hình này khói được tạo ra bằng cách đốt dầu hỏa, khí được sinh ra
có màu trắng đục. Động cơ điện gắng cánh quạt sẽ thổi khí có màu vào khu vực thí
nghiệm. Đây là động cơ vô cấp có thể thay đổi được tốc độ dòng chảy.
- 10 -
Hình 2.8: Thiết bị thổi và tạo khí màu
2.1.1.4. Kết quả thí nghiệm
Với mô hình này có thể thí nghiệm dòng chảy có tỷ lệ rối là 10%.
Hiện tượng tách lớp biên và vùng cuộn xoáy sau vật cản phụ thuộc vào tốc độ
: hệ số nhớt động lực học.
Hệ số Reynold cũng có được từ vận tốc của dòng chảy.
Kết quả thí nghiệm về dòng khí qua vật cản cho thấy:
- Hình ảnh dòng trước khi gặp vật cản: là dòng chảy đều tầng, các phần tử khí
được xếp thành từng lớp không xáo trộn vào nhau.
- Khi gặp vật cản, dòng có xu hướng tách rời ra 2 hướng của vật thể sau ở đó
xảy ra hiện tượng tách lớp biên và tạo nên vùng cuộn xoáy sau vật thể.
Hình 2.10: Hình ảnh dòng khí qua cánh NACA 2412.[1]
Copyright: Tài liệu đại học ©