Phương trình dòng không nén được Nguyên_lý_Bernoulli

Trong hầu hết các chất lỏng, và khí có vận tốc nhỏ hơn số Mach, mật độ của một lượng chất lỏng có thể coi là không đổi, bất kể áp suất biến đổi trong chất lỏng. Do đó, chất lưu có thể coi là không nén được và gọi là dòng không nén được. Bernoulli thực hiện thí nghiệm của mình trên chất lỏng, vì vậy phương trình của ông ban đầu chỉ đúng cho dòng không nén được.Dạng phương trình Bernoulli phổ biến, đúng tại một điểm bất kỳ dọc theo đường dòng là:

v 2 2 + g z + p ρ = constant {\displaystyle {v^{2} \over 2}+gz+{p \over \rho }={\text{constant}}}

 

 

 

 

(A)

với:

v {\displaystyle v\,} vận tốc của dòng chất lỏng tại điểm trên đường dòng, g {\displaystyle g\,} là gia tốc trọng trường, z {\displaystyle z\,} là cao độ của điểm so với một mặt phẳng tham chiếu, với giá trị dương của z-hướng lên trên – ngược chiều với hướng của vectơ gia tốc trọng trường, p {\displaystyle p\,} là áp suất tại điểm đó, và ρ {\displaystyle \rho \,} là mật độ tại mọi điểm trong chất lỏng.

Đối với trường lực bảo toàn, phương trình Bernoulli có thể tổng quát thành:[9]

v 2 2 + Ψ + p ρ = constant {\displaystyle {v^{2} \over 2}+\Psi +{p \over \rho }={\text{constant}}}

với Ψ là lực thế tại điểm đang xét trên đường dòng. Ví dụ đối với trường hấp dẫn của Trái Đất Ψ = gz.

Hai giả sử sau phải được đáp ứng để có thể áp dụng được nguyên lý Bernoulli:[9]

  • Dòng chảy phải không nén được – ngay cả khi áp suất thay đổi, mật độ vẫn phải không đổi dọc theo đường dòng;
  • Ma sát gây bởi lực nhớt là nhỏ không đáng kể. Trong quãng đường dài sự tiêu hao cơ năng sẽ xuất hiện dưới dạng nhiệt. Sự tiêu tán này có thể ước lượng từ phương trình Darcy–Weisbach.

Bằng cách nhân với mật độ chất lỏng ρ {\displaystyle \rho } , phương trình (A) có thể viết lại thành:

1 2 ρ v 2 + ρ g z + p = constant {\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}\,+\,\rho \,g\,z\,+\,p\,=\,{\text{constant}}\,}

hay:

q + ρ g h = p 0 + ρ g z = constant {\displaystyle q\,+\,\rho \,g\,h\,=\,p_{0}\,+\,\rho \,g\,z\,=\,{\text{constant}}\,}

với:

q = 1 2 ρ v 2 {\displaystyle q\,=\,{\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}} là áp lực động, h = z + p ρ g {\displaystyle h\,=\,z\,+\,{\frac {p}{\rho g}}} là độ cao thủy lực hay cột nước tĩnh (tổng của cao độ z và cột áp thủy tĩnh hay độ cao cột nước)[10][11] và p 0 = p + q {\displaystyle p_{0}\,=\,p\,+\,q\,} là áp lực tổng (tổng áp lực tĩnh p và áp lực động q).[12]

Có thể chuẩn hóa hằng số trong phương trình Bernoulli. Cách tiếp cận chung là viết nó theo cột nước toàn phần hay năng lượng tổng H:

H = z + p ρ g + v 2 2 g = h + v 2 2 g , {\displaystyle H\,=\,z\,+\,{\frac {p}{\rho g}}\,+\,{\frac {v^{2}}{2\,g}}\,=\,h\,+\,{\frac {v^{2}}{2\,g}},}

Phương trình trên cho thấy có vận tốc dòng khi áp lực bằng 0, và thậm chí ở vận tốc lớn hơn có thể có áp lực âm. Đa số khí và chất lỏng không có áp lực âm tuyệt đối hay thậm chí áp lực 0, vì vậy rõ ràng phương trình Bernoulli còn đúng trước khi chất lưu đạt tới áp lực 0. Trong chất lỏng – khi áp lực trở lên quá thấp – sẽ xuất hiện bọt khí (cavitation). Phương trình trên sử dụng mối quan hệ tuyến tính giữa bình phương vận tốc chảy và áp lực. Đối với khí có vận tốc chuyển động lớn, hoặc đối với sóng âm thanh trong chất lỏng, sự thay đổi về mật độ khối lượng trở lên đáng kể do đó giả sử về mật độ hằng số không còn áp dụng được nữa.

Tài liệu tham khảo

WikiPedia: Nguyên_lý_Bernoulli http://www.uq.edu.au/~e2hchans/reprints/book15.htm http://www.av8n.com/how/htm/airfoils.html http://www.britannica.com/EBchecked/topic/658890/H... http://www.mathalino.com/reviewer/fluid-mechanics-... http://user.uni-frankfurt.de/~weltner/Mis6/mis6.ht... http://user.uni-frankfurt.de/~weltner/Misinterpret... http://mysite.du.edu/~jcalvert/tech/fluids/bernoul... http://www.millersville.edu/~jdooley/macro/macrohy... http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html http://www.iop.org/EJ/article/0031-9120/38/6/001/p...