流体力学理论基础精选文档.ppt
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1、流体力学理论基础本讲稿第一页,共一百一十三页流体的平衡流体的平衡流体静力学基础流体静力学基础3.1.1 平衡状态下流体中的应力特性平衡状态下流体中的应力特性baAcBPn1、流体静压力方向必然重合于受力面的内法向方向、流体静压力方向必然重合于受力面的内法向方向2、平衡流体中任意点的静压强只能由该点的坐标位置决定,、平衡流体中任意点的静压强只能由该点的坐标位置决定,而与该压强作用方向无关。而与该压强作用方向无关。本讲稿第二页,共一百一十三页质质量量力力(又又称称体体积积力力):均均匀匀作作用用于于流流体体质质点点上上,其其大大小小与与流流体体的的质质量量成成正正比比.重重力力、惯惯性性力力都属于
2、质量力。都属于质量力。表表面面力力:相相邻邻流流体体(或或固固体体)作作用用于于流流体体微微团团各各个个表表面面上上的的力力,与与作作用用面面的的面面积积成成比比例例。表表面面力力常常用应力(单位表面力)表示。用应力(单位表面力)表示。pxpzpypndzdybcadxyxzO本讲稿第三页,共一百一十三页质量力本讲稿第四页,共一百一十三页表面力(压力)表面力(压力)本讲稿第五页,共一百一十三页本讲稿第六页,共一百一十三页本讲稿第七页,共一百一十三页3.1.2 流体的平衡微分方程式流体的平衡微分方程式m、m为两个侧面的重心,而为两个侧面的重心,而M为六面体重心,所以为六面体重心,所以yzxMmm
3、abcdabcd本讲稿第八页,共一百一十三页根据平衡理论:根据平衡理论:本讲稿第九页,共一百一十三页将欧拉微分方程各式分别乘以将欧拉微分方程各式分别乘以dx,dy,dz,整理得整理得l 等压面:流体中压力相等的诸点连成的曲面等压面:流体中压力相等的诸点连成的曲面本讲稿第十页,共一百一十三页3.1.3 流体静力学基本方程流体静力学基本方程1、基本方程、基本方程质量力只有重力情况下质量力只有重力情况下本讲稿第十一页,共一百一十三页p00012p2p1Z0Z2Z1h2h1本讲稿第十二页,共一百一十三页2 2、帕斯卡定律、帕斯卡定律 静止液体任一边界面上压强的变化,将等值静止液体任一边界面上压强的变化
4、,将等值地传到其它各点。地传到其它各点。本讲稿第十三页,共一百一十三页3、液体静力学基本方程的几何意义与能量意义、液体静力学基本方程的几何意义与能量意义zA、zB、zC、zD位置位置水头(比位能)水头(比位能)测压管水头测压管水头(计示水头,压力计示水头,压力基准一个大气压)基准一个大气压)静压水头(压力基准完全静压水头(压力基准完全真空):真空):papap0=0静压水头面静压水头面OOABCD测压管水头面测压管水头面本讲稿第十四页,共一百一十三页4、分界面、自由面、等密面均为水平面和等压面、分界面、自由面、等密面均为水平面和等压面(前提条件:静止连续的同种液体(前提条件:静止连续的同种液体
5、)一封闭容器盛有一封闭容器盛有2(水银)(水银)1(水)的两种不同液(水)的两种不同液体,同一水平线上的体,同一水平线上的1、2、3、4、5各点压强哪点最大?各点压强哪点最大?哪点最小?哪些点相等?哪点最小?哪些点相等?12345空气空气本讲稿第十五页,共一百一十三页3.1.4压强的表示方法及测压仪表压强的表示方法及测压仪表一、压强的表示方法一、压强的表示方法1、绝对压强(绝对压强(Absolutepressure):以完全真空作位零):以完全真空作位零标准表示的压力标准表示的压力P3、真空度(、真空度(vacuumpressurepv ):某点绝对压强某点绝对压强p p2,h=?oHpapa
6、oHh h h p2p1OO本讲稿第二十六页,共一百一十三页本讲稿第二十七页,共一百一十三页例例1已知已知=800kg/m3,p1=64kpa,p2=79.68kpa求求 z=?po z21本讲稿第二十八页,共一百一十三页例例2图中所示为选矿车间的气水分离器,其右侧装一个水银图中所示为选矿车间的气水分离器,其右侧装一个水银U形形测压管,测压管,h 200mm,求水面高度,求水面高度H。解解以以OO面为基准面,对面为基准面,对A、B两点列静力学基本方程两点列静力学基本方程BHAhOO本讲稿第二十九页,共一百一十三页液封高度的计算液封高度的计算 生产中为了生产中为了安全生产等问题常设置一段液安全生
7、产等问题常设置一段液体柱高度封闭气体体柱高度封闭气体,称为液封。,称为液封。作用:作用:保持设备内压力不超过某一值;保持设备内压力不超过某一值;防止容器内气体逸出;防止容器内气体逸出;真空操作时不使外界空气漏入。真空操作时不使外界空气漏入。该液体柱高度主要根据流体静力学方程式确定。该液体柱高度主要根据流体静力学方程式确定。本讲稿第三十页,共一百一十三页例例3:为为保保证证设设备备内内某某气气体体压压力力不不超超过过119.6kPa,在在其其外外部部装装设设安安全全水水封封(如如图图),计计算算水水封封管管应应插插入入水水面面以以下下高高度度h0,当地大气压为,当地大气压为100kPa。解解:按
8、按要要求求当当设设备备内内气气体体压压力力达达到到119.6kPa时时,使使气气体体由由出出口口管管逸逸出出,以以此此作作为为计计算算依依据据。选选等等压压面面0-0,在其上列静力学方程式:在其上列静力学方程式:pap本讲稿第三十一页,共一百一十三页p0=p=pa+gh0h0=(p-pa)/g =(119.6-100)103/(10009.81)=2.0m本讲稿第三十二页,共一百一十三页 3.1.5 均质流体作用在平面上的液体总压力均质流体作用在平面上的液体总压力取微元面积取微元面积dA,设形心,设形心位于液面以下位于液面以下h深处深处C点为平面壁的形心,点为平面壁的形心,D点为总压力点为总压
9、力P的作用点的作用点hD adpX轴轴hhcbdACDy轴轴yyc yDOP本讲稿第三十三页,共一百一十三页本讲稿第三十四页,共一百一十三页本讲稿第三十五页,共一百一十三页总压力作用点总压力作用点根据理论力学的原理:根据理论力学的原理:和力对任一轴的力矩等于其和力对任一轴的力矩等于其分力对同一轴的力矩和。分力对同一轴的力矩和。总压力总压力P对对x轴的力矩为轴的力矩为M=PyD本讲稿第三十六页,共一百一十三页根据面积二次力矩平行移轴定理根据面积二次力矩平行移轴定理本讲稿第三十七页,共一百一十三页常见图形的几何特征量常见图形的几何特征量本讲稿第三十八页,共一百一十三页常见截面的惯性矩yy本讲稿第三
10、十九页,共一百一十三页常见截面的形心常见截面的形心e矩形矩形bhPPPycyDyDyDycycyc=e+h/2yc=h/2yc=(e+h/2)/sinPa本讲稿第四十页,共一百一十三页常见截面的形心e圆形圆形PPPycyDyDyDycycyc=e+D/2yc=D/2yc=(e+D/2)/sinPaD本讲稿第四十一页,共一百一十三页 例例题题1:闸闸门门宽宽B1米米,A处处为为铰铰链链轴轴,闸闸门门可可绕绕轴轴转转动动,H3米米,h1m,求求升升起起闸闸门门所所需需的的垂垂直直向向上上的的力力(忽略闸门自重与摩擦力)。忽略闸门自重与摩擦力)。解:闸门形心解:闸门形心60HhTBAEhcPD本讲稿
11、第四十二页,共一百一十三页压力作用点压力作用点D距铰链轴的距离为:距铰链轴的距离为:AE间距离与总压力作用点间距离与总压力作用点D到液面到液面E点点的距离的距离yD之和之和l60HhTBxAEPDyDyC本讲稿第四十三页,共一百一十三页代入已知条件求得代入已知条件求得l3.455m本讲稿第四十四页,共一百一十三页拉力拉力T距铰链轴距铰链轴A的距离的距离闸门转动瞬间所受力矩平衡闸门转动瞬间所受力矩平衡l60HhTBxAEPDyDyC本讲稿第四十五页,共一百一十三页例题例题2:有一矩形底孔闸门,高:有一矩形底孔闸门,高h3m,宽,宽b2m,上游,上游水深水深h16m,下游水深,下游水深h25m,求
12、作用于闸门上的水,求作用于闸门上的水静压力及作用点。静压力及作用点。h1h2hOP1yD1hc1hc2P2yD2本讲稿第四十六页,共一百一十三页本讲稿第四十七页,共一百一十三页本讲稿第四十八页,共一百一十三页和力对任一轴的力矩等于其分力对同一轴的力和力对任一轴的力矩等于其分力对同一轴的力矩和。矩和。本讲稿第四十九页,共一百一十三页总压力总压力P的作用点与左侧液面垂直距离的作用点与左侧液面垂直距离为为1.53+(6-3)=4.53m本讲稿第五十页,共一百一十三页Ch1hh2例例3、如图为一翻板闸门(矩形),距门底、如图为一翻板闸门(矩形),距门底0.4m高处高处C点有点有一横轴与支撑铰接,门可绕
13、一横轴与支撑铰接,门可绕C点作顺时针方向转动开启,不计点作顺时针方向转动开启,不计摩擦力,问当门前水深摩擦力,问当门前水深h为多少时,为多少时,h1=1m门才会自动打开?门才会自动打开?本讲稿第五十一页,共一百一十三页过程演示本讲稿第五十二页,共一百一十三页本讲稿第五十三页,共一百一十三页本讲稿第五十四页,共一百一十三页例例4一一封封闭闭水水箱箱内内盛盛有有水水,水水自自由由面面绝绝对对压压力力pA=10.92104N/m2,矩矩形形闸闸门门AB的的倾倾斜斜面面长长度度h=0.5m,宽宽b=1m,闸闸门门顶顶端端淹淹深深H=1,闸闸门门与与水水平平面面之之间间的的交交角角=30.求求作作用用在
14、在闸闸门门上上的的总总压压力力及及其其作作用用点点与与闸闸门门顶顶端端A点间的距离点间的距离s。y yABhHOPA本讲稿第五十五页,共一百一十三页hcyDycy yABhHOPAPpaheqs本讲稿第五十六页,共一百一十三页本讲稿第五十七页,共一百一十三页本讲稿第五十八页,共一百一十三页得得AD间距离间距离s值为值为本讲稿第五十九页,共一百一十三页3.2 理想流体运动的基本方程理想流体运动的基本方程流体动力学基础流体动力学基础1、连续性方程、连续性方程continuityequation 设设1-1截面面积截面面积A1,流速流速v1,流体密度流体密度1,距地面高度,距地面高度Z1;2-2截面
15、面积截面面积A2,流速流速v2,流体密度流体密度2,距地面高度距地面高度Z2。在在t间隔内,由间隔内,由1-1截面流入的流截面流入的流体质量体质量121Z1Z22本讲稿第六十页,共一百一十三页流量一定时,流量一定时,断面平均流速和断面面积成反断面平均流速和断面面积成反比比。连续分布的介质质量守恒连续分布的介质质量守恒(conservationofmass):对于不可压缩流体:对于不可压缩流体:在在t间隔内,由间隔内,由2-2截面流出的流体质量截面流出的流体质量本讲稿第六十一页,共一百一十三页2、伯努利方程伯努利方程Bernoulliequation(1)理想流体)理想流体无粘性流体无粘性流体(
16、inviscidfluid)伯努利方伯努利方程程无粘性流体总流伯努利方程(无粘性流体总流伯努利方程(图图)根据机械能守恒定律:根据机械能守恒定律:lawofconservationofmechanicalenergy本讲稿第六十二页,共一百一十三页比动能比动能(specific kineticenergy)单位重量单位重量流体流经该点由于具有速度流体流经该点由于具有速度u而可以向上自而可以向上自由喷射而达到的水柱高度,速度水头由喷射而达到的水柱高度,速度水头比压能比压能(specificenergyof pressure),单位,单位重量流体流经该点时所具有的压强高度(水重量流体流经该点时所具
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