Bài giảng Cơ sở cơ học môi trường liên tục và lý thuyết đàn hồi: Chương 5 - PGS. TS. Trần Minh Tú

Chia sẻ: Nnmm Nnmm | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

131
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 5 - Hệ các phương trình cơ bản và các mô hình môi trường liên tục. Chương này trình bày các nội dung cụ thể như: Định luật bảo toàn khối lượng – Phương trình liên tục, quá trình nhiệt động học của môi trường, định luật bảo toàn khối lượng – Phương trình liên định luật nhiệt động lực thứ nhất – Phương trình trạng thái,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Cơ sở cơ học môi trường liên tục và lý thuyết đàn hồi: Chương 5 - PGS. TS. Trần Minh Tú

®¹i häc CƠ CƠ SỞ SỞ CƠ CƠ HỌC HỌC MÔI MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG LIÊN LIÊN TỤC TỤC VÀ VÀ LÝ LÝ THUYÊT THUYÊT ĐÀN ĐÀN HỒI HỒI Trần Minh Tú Đại học Xây dựng – Hà nội Bộ môn Sức bền Vật liệu Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 1(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
Chương 5 Hệ các phương trình cơ bản và các mô hình môi trường liên tục July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 2(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
NỘI DUNG 5.1. 5.1.Định Địnhluật luậtbảo bảotoàn toànkhối khốilượng lượng––Phương Phươngtrình trìnhliên liêntục tục 5.2. 5.2.Quá Quátrình trìnhnhiệt nhiệtđộng độnghọc họccủa củamôi môitrường trường 5.3. 5.3.Định Địnhluật luậtnhiệt nhiệtđộng độnglực lựcthứ thứnhất nhất––Phương Phươngtrình trìnhtrạng trạngthái thái 5.4. 5.4.Định Địnhluật luậtnhiệt nhiệtđộng độnglực lựcthứ thứhai hai 5.5. 5.5.Hệ Hệcác cácphương phươngtrình trìnhcơ cơbản bảncủa củacơ cơhọc họcMTLT MTLT 5.6. 5.6.Chất Chấtlỏng lỏnglýlýtưởng tưởng 5.7. 5.7.Chất Chấtlỏng lỏngnhớt nhớttuyến tuyếntính tínhNiutơn Niutơn 5.8. 5.8.Chất Chấtrắn rắn July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 3(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.1. Định luật bảo toàn khối lượng – Phương trình liên tục 5.1. 5.1.Định Địnhluật luậtbảo bảotoàn toànkhối khốilượng lượng––Phương Phươngtrình trìnhliên liêntục tục Tổng khối lượng vật chất chứa trong thể tích V được khảo sát không thay đổi trong quá trình chuyển động của môi trường Biểu thức viết trong hệ tọa độ Euler: ∂ρ ∂vi ∂ρ G +ρ =0 Hoặc: + ρ divv = 0 ∂t ∂x i ∂t Phương trình : Phương trình liên tục của khối lượng Có ý nghĩa quan trọng với chất lỏng và khí, với chất rắn: tự động thỏa mãn Trong môi trường không nén được (ρ’=0): G G G ∂a ∂a 2 ∂a 3 divv = 0 diva = ∇a = 1 + + ∂x1 ∂x 2 ∂x 3 July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 4(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.2. 5.2.Định Địnhluật luậtđộng độnglượng lượngtuyến tuyếntính tính––Phương Phươngtrình trìnhchuyển chuyểnđộng động Xét môi trường liên tục với thể tích V, diện tích bề mặt S, chịu tác dụng của lực thể tích có cường độ f Động lượng tuyến tính của khối lượng được định nghĩa bởi vec tơ: Định luật động lượng tuyến tính: Biến thiên động lượng trên một đơn vị thời gian của một khối lượng bằng hợp lực tác dụng lên khối lượng đó trong môi trường liên tục ∂σ ji ∂ 2 ui - Phương trình chuyển động + fi = ρ 2 ∂x j dt ∂σ ji + fi = 0 - Phương trình cân bằng ∂x j July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 5(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.2. Quá trình nhiệt động học của môi trường 5.2. 5.2.Quá Quátrình trìnhnhiệt nhiệtđộng độnghọc họccủa củamôi môitrường trường Trong trường hợp tổng quát, trạng thái của môi trường được xác định bởi các đặc trưng động lực học: chuyển vị, ứng suất, biến dạng,… và các đặc trưng nhiệt động học: nhiệt độ, sự truyền nhiệt ,… Các tham số đặc trưng của trạng thái môi trường gọi là tham số trạng thái. Quan hệ giữa các tham số trạng thái – phương trình trạng thái Nếu các tham số trạng thái không phụ thuộc vào thời gian: môi trường ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực (cân bằng nhiệt, cân bằng cơ học, …) - Nhiệt độ là tham số đặc trưng cho trạng thái cân bằng nhiệt. Quá trình đẳng nhiệt: nhiệt độ không phụ thuộc vào thời gian Quá trình đoạn nhiệt: không có sự trao đổi nhiệt giữa môi trường đang xét với môi trường xung quanh Quá trình nhiệt động lực có thể là thuận nghịch hoặc không thuận nghịch July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 6(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.3. Định luật nhiệt động lực thứ nhất 5.3. 5.3.Định Địnhluật luậtnhiệt nhiệtđộng độnglực lựcthứ thứnhất nhất––Phương Phươngtrình trìnhtrạng trạngthái thái Khi vật chất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác: sự biến thiên năng lượng chuyển hoá theo qui luật nào ??? Cơ lý thuyết: Tổng động năng + thế năng = Công ngoại lực Tổng quát: Tốc độ biến thiên của động năng và của nội năng bằng công cơ học của ngoại lực sinh ra cộng với toàn bộ năng lượng khác nhận được hay mất đi trong đơn vị thời gian đó Các dạng năng lượng nhận được hay mất đi bao gồm: nhiệt năng, hoá năng hay năng lượng điện từ. Nếu các dạng năng lượng trong môi trường liên tục chỉ gồm cơ năng và nhiệt năng thì ta có định luật bảo toàn năng lượngdưới dạng định luật thứ nhất của nhiệt động lực học July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 7(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.3. Định luật nhiệt động lực thứ nhất Tổng biến thiên động năng và biến thiên nội năng của môi trường giữa hai trạng thái của quá trình sẽ bằng tổng công cơ học của ngoại lực và công nhiệt năng mà môi trường nhận được giữa hai trạng thái đó dK dE δA δQ dK – biến thiên động năng δA – công cơ năng + = + dt dt dt dt dE – biến thiên nội năng δQ – công nhiệt năng Biểu diễn tường minh các biểu thức biến thiên động năng và nội năng, công cơ năng và nhiệt năng ta nhận được phương trình của định luật nhiệt động lực thứ nhất ρ - mật độ khối lượng e - nội năng riêng de dvi dci ρ = σ ij + ρb − c – vec tơ vận tốc truyền nhiệt qua 1 đơn dt dx j dx j vị diện tích vuông góc với dòng nhiệt b - hằng số bức xạ nhiệt July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 8(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.3. Định luật nhiệt động lực thứ nhất Cách viết khác: dq 1 ∂ci với =b− de 1 dq dt ρ ∂xi = σ ij ε ij + ρ • dt ρ dt dq – công nhiệt năng giữa hai trạng thái Tốc độ biến thiên của nội năng riêng sẽ bằng tổng công suất của các ứng suất và công suất của nguồn nhiệt đưa vào môi trường • Định luật truyền nhiệt Fourier ∂T T - nhiệt độ tuyệt đối ci = k ∂xi k - hệ số truyền nhiệt môi trường July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 9(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.4. Định luật nhiệt động lực thứ hai 5.4. 5.4.Định Địnhluật luậtnhiệt nhiệtđộng độnglực lựcthứ thứhai hai Mục đích: Để phân biệt quá trình là thuận nghịch hay không thuận nghịch Định luật thứ nhất chưa giải quyết vấn đề về quá trình chuyển hoá năng lượng là thuận nghịch hay không thuận nghịch. Thực tế các quá trình đều bất thuận nghịch Nhưng quá trình thuận nghịch là một tiên đề hữu ích trong những trường hợp mà sự tiêu hao năng lượng là không đáng kể. Entropy là một đặc trưng của quá trình nhiệt động và được định nghĩa: S=∫ dQ dQ – vi phân hiệt năng trong quá trình T Tốc độ thay đổi entropy toàn phần của một môi trường tồn tại trong thể tích V khô ng bao giờ nhỏ hơn tổng nguồn entropy đưa vào qua biên giới của thể tích V và e ntropy sinh ra ở bên trong thể tích V của nguồn bên ngoài. = : quá trình thuận nghịch ds 1 ∂ ⎛ ci ⎞ s - mật độ entropi −b+ ⎟≥0 dt ρ ∂xi ⎜⎝ T ⎠ > quá trình bất thuận nghịch Bất đẳng thức Clausius July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 10(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.5. Hệ các phương trình cơ bản của cơ học MTLT 5.5. 5.5.Hệ Hệcác cácphương phươngtrình trìnhcơ cơbản bảncủa củacơ cơhọc họcMTLT MTLT 1. Phương trình liên tục của khối lượng ∂ρ ∂vi (1 phương trình ) +ρ =0 ∂t ∂x j 2. Phương trình chuyển động – 3pt ∂σ ji ⎛ ∂ 2 ui ⎞ (Phương trình cân bằng Navier-Cauchy) + fi = 0 ⎜ ρ 2 ⎟ ∂x j ⎝ dt ⎠ 3. Phương trình năng lượng – 1pt de dv dc (định luật nhiệt động lực thứ nhất) ρ = σ ij i + ρ b − i dt dx j dx j ∂T 4. Phương trình truyền nhiệt ( 3pt) ci = k ∂xi July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 11(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.5. Hệ các phương trình cơ bản của cơ học MTLT • Hệ 8 phương trình chứa 14 ẩn số vô hướng, là hàm của toạ độ và thời gian Mật độ khối lượng ρ, nội năng riêng e, 3 thành phần vận tốc chuyển vị ui (hoặc ui), 6 thành phần ứng suất σij, 3 thành phần vec tơ dòng nhiệt ci Khi kiểm tra tính thuận nghịch: thêm 2 ẩn số là entropi s và nhiệt độ tuyệt đối T • Bài toán với 16 ẩn, chỉ có 8 phương trình => cần 8 phương trình bổ sung - Nhóm các phương trình trạng thái nhiệt động - Nhóm các phương trình vật lý (phụ thuộc vào loại môi trường) CHẤT LỎNG Các mô hình CHẤT KHÍ July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 12(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.6. Chất lỏng lý tưởng 5.6. 5.6.Chất Chấtlỏng lỏnglýlýtưởng tưởng 5.6.1. Chất lỏng đứng yên, áp suất thủy tĩnh - Các phần tử chỉ chèn ép nhau mà không trượt => ứng suất tiếp = 0, ứng suất pháp có giá trị như nhau trên mọi mặt cắt, ký hiệu: - p0 (nén ) – áp suất thủy tĩnh p0>0 ⎡ − p0 0 0 ⎤ ⎢ Tσ = ⎢ 0 − p0 0 ⎥ ⎥ ⎢⎣ 0 0 − p0 ⎥⎦ July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 13(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.6. Chất lỏng lý tưởng 5.6.2. Chất lỏng chuyển động Các dòng vật chất chuyển động tương đối với nhau, xảy ra hiên tượng trượt nên xuất hiện ứng suất tiếp Áp suất nhiệt ⎡σ 11 σ 12 σ 13 ⎤ ⎡− p 0 0 ⎤ động học ⎢ Tσ = ⎢σ 21 σ 22 σ 23 ⎥ ⎥ ⎢ 0 −p 0 ⎥ ⎢ ⎥ Phụ thuộc ⎢⎣σ 31 σ 32 σ 33 ⎥⎦ ⎢⎣ 0 0 − p ⎥⎦ bản chất từng loại chất lỏng ⎡σ11 + p σ12 σ13 ⎤ ⎢ σ σ + p σ ⎥ ⎢ 21 22 23 ⎥ Ten xơ ứng suất nhớt ⎢⎣ σ31 σ32 σ33 + p ⎥⎦ July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 14(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.6. Chất lỏng lý tưởng 5.6.3. Chất lỏng lý tưởng Có ten xơ ứng suất nhới bằng không. Phương trình chuyển động: ∂p ∂ 2 ui + fi = ρ 2 ∂x j dt Chất lỏng không nén được, mật độ vật chất = const => Phương trình liên tục: ∂vi =0 ∂xi i July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 15(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.7. Chất lỏng nhớt tuyến tính Niutơn 5.7. 5.7.Chất Chấtlỏng lỏngnhớt nhớttuyến tuyếntính tínhNiutơn Niutơn Chất lỏng chuyển động: tenxơ ứng suất nhớt khác không. Các thành phần tenxơ ứng suất nhớt phụ thuộc vào vận tốc chuyển động hoặc các thành phần của tenxơ vận tốc biến dạng Các phụ thuộc biểu diễn bằng các phương trình xác định • Các phương trình là tuyến tính theo các thành phần của tenxơ vận tốc biến dạng : chất lỏng nhớt tuyến tính - chất lỏng Newton • Các phương trình là phi tuyến theo các thành phần của tenxơ vận tốc biến dạng : chất lỏng nhớt phi tuyến - chất lỏng phi Newton Hệ các phương trình cơ bản của chất lỏng Newton (SGK) July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 16(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.8. Chất rắn 5.8. 5.8.Chất Chấtrắn rắn - Định luật bảo toàn khối lượng tự động thỏa mãn - Biến dạng bé: không phân biệt cách mô tả chuyển động - Ảnh hưởng của cơ năng và nhiệt năng xét riêng biệt theo nguyên lý cộng tác dụng LÝ LÝTHUYẾT THUYẾTĐÀN ĐÀNHỒI HỒI NGHIÊN CỨU ??? CÁC LÝ THUYẾT LÝ LÝTHUYẾT THUYẾTDẺO DẺO LÝ LÝTHUYẾT THUYẾTTỪ TỪBIẾN BIẾN July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 17(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.8. Chất rắn 1. LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI Là quá trình thuận nghịch Quan hệ ứng suất – biến dạng : tuyến tính hoặc phi tuyến σ Linear- σ elastic Non-Linear- elastic ε ε Tuyến tính Phi tuyến July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 18(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.8. Chất rắn 2. LÝ THUYẾT DẺO B Là quá trình không thuận nghịch A σ linear linear O C elastic elastic ε ε plastic OA - quan hệ bậc nhất σ-ε - giới hạn chảy OC - biến dạng dư July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 19(39) Email: tpnt2002@yahoo.com
5.8. Chất rắn 3. 3.LÝ LÝTHUYẾT THUYẾTTỪ TỪBiẾN BiẾN Hiện tượng thay đổi theo thời gian của ứng suất và biến dạng khi các tác động bên ngoài lên vật thể đang xét không thay đổi - Đường cong từ biến: ứng suất thay đổi, biến dạng thay đổi theo t ε ε0 July 2009 Tran Minh Tu – University of Civil Engineering – Ha noi 20(39) Email: tpnt2002@yahoo.com