流体静力学流体力学精选PPT.ppt
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1、关于流体静力学流体力学第1页,讲稿共62张,创作于星期二 本章学习要点本章学习要点:作用在流体上的力、静止流体中应力的特性、流体平衡微分方程、等压面、静止液体和相对静止液体压强的分布、压强的表示方法、液体作用在平面及曲面壁上的静水总压力、压力中心。第2页,讲稿共62张,创作于星期二第一节、第一节、静止流体中应力的特性静止流体中应力的特性一、基本概念一、基本概念 (一)(一)静压力静压力 静止流体对受压面所作用的全部压力。(二)(二)静压强静压强 受压面单位面积上所受的静压力。静止流体表面应力只能是压强(压应力),流体不能承受拉力,且具有易流动性。二、静止流体中应力的特性二、静止流体中应力的特性
2、 (一)压强的基本特性(一)压强的基本特性:静压强的方向垂直指向受压面。或者说静压强的方向沿静压强的方向垂直指向受压面。或者说静压强的方向沿着受压面的内法线方向。着受压面的内法线方向。为了论证这一特性,在静止流体中任取截面NN将其分为、两部分,取为隔离体,对的作用由NN外面上连续分布的应力代替(图21)。第3页,讲稿共62张,创作于星期二第4页,讲稿共62张,创作于星期二(二)静压强的特性(二)静压强的特性 静压强的大小与作用面的方位无关,即在仅受重力作静压强的大小与作用面的方位无关,即在仅受重力作用的静水中,任意一点处各个方向的静压强均相等。即有:用的静水中,任意一点处各个方向的静压强均相等
3、。即有:(2-12-1)第5页,讲稿共62张,创作于星期二第6页,讲稿共62张,创作于星期二 证明证明:从平衡状态下的流体中取一微元四面体OABC,如图所示取坐标轴(如图22)。由于液体处于平衡状态,则有 ,即各向分力投影之和亦为零,则:(22)x方向受力分析:表面力:(23)第7页,讲稿共62张,创作于星期二 当四面体无限地趋于O点时,则dxO,因此,类似地有:而 是任意选取的,所以同一点静压强大小相等,与作用面的方位无关。说明:(1 1)静止流体中不同点的压强一般是不等的,同一点各)静止流体中不同点的压强一般是不等的,同一点各个方向的静压强大小相等。个方向的静压强大小相等。n为斜面ABC的
4、法线方向质量力:(2-4)(2-5)第8页,讲稿共62张,创作于星期二(3).理想流体运动流体时,由于=0,不会产生切应力,所以理想流体动压强呈静压强分布特性。(2).运动状态下的实际流体,流体层间若有相对运动,则由于粘性会产生切应力,这时同一点上各向的压强不再相等。流体动压强定义为三个互相垂直的压应力的算术平均值,流体动压强定义为三个互相垂直的压应力的算术平均值,即 (2-6)第9页,讲稿共62张,创作于星期二第二节、第二节、流体平衡微分方程流体平衡微分方程 一、流体平衡微分方程一、流体平衡微分方程欧拉方程欧拉方程 1.欧拉方程 在平衡流体中取一微元六面体,边长分别为dx,dy,dz,设中心
5、点的压强为p(x,y,z)=p,对其进行受力分析(如图23):y y向受力向受力:表面力:表面力:质量力:质量力:第10页,讲稿共62张,创作于星期二根据平衡条件,在y方向有Fy=0,即:整理得:(2-8)(2-7)流体平衡微分方程(即欧拉平衡微分方程,简称为欧拉欧拉方程):(2-9)第11页,讲稿共62张,创作于星期二 2.物理意义 处于平衡状态平衡状态的流体,单位质量流体所受的表面力分量单位质量流体所受的表面力分量与质量力分量彼此相等。与质量力分量彼此相等。压强沿轴向的变化率()等于该方向上单位体积内的质量力的分量 (、)。二、平衡微分方程的全微分式二、平衡微分方程的全微分式 为对式(29
6、)进行积分,将各分式分别乘以 、然后相加,得(2-10)压强 是坐标的连续函数,由全微分定理,上式等号左边是压强力的全微分。第12页,讲稿共62张,创作于星期二 (2-11)上式是欧拉方程的全微分表达式,也称为平衡微分方程的综合式。通常作用于流体的单位质量力是已知的,将其代入式(211)进行积分,便可求得流体静压强的分布规律。三、等压面三、等压面 1.等压面 压强相等的空间点构成的面压强相等的空间点构成的面(平面或曲面平面或曲面)称为等压面,称为等压面,例如静止液体的自由表面。2.等压面的性质:平衡流体等压面上任一点的质量力恒正平衡流体等压面上任一点的质量力恒正交于等压面。交于等压面。(2-1
7、2)第13页,讲稿共62张,创作于星期二 运用平衡微分方程的综合式,证明等压面的这一重要性质,即等压面与质量力正交。证明:如图24,设等压面如图,因面上各点的压强相等(pC),即 ,代入式(211),得:式中 ,则等压面方程为第14页,讲稿共62张,创作于星期二 以X、Y、Z为等压面上某点M的单位质量力 在坐标x、y、z方向的投影,dx、dy、dz为该点处微小有向线段 在坐标x、y、z方向的投影,于是:即 和 正交。这里 在等压面上有任意方向,由此证明,等压面与质量力正交。由等压面的这一性质,便可根据质量力的方向来判断等压面的形状。例如,质量力只有重力时,因重力的方向铅垂向质量力只有重力时,因
8、重力的方向铅垂向下,可知等压面是水平面。下,可知等压面是水平面。若重力之外还有其它质量力作用重力之外还有其它质量力作用时,等压面是与质量力的合力正交的非水平面。时,等压面是与质量力的合力正交的非水平面。常见的等压面有:自由液面和平衡流体中互不混合的两种流体的交界面等。第15页,讲稿共62张,创作于星期二第三节第三节 重力场中流体静压强的分布规律重力场中流体静压强的分布规律 一、液体静力学的基本方程一、液体静力学的基本方程 1.1.基本方程的两种表达式基本方程的两种表达式 在同一种均质的静止液体中,任意点的静压强,与其淹没深度成正比,与液体的重度成正比,且任一点的静压强的变化,将等值地传递到液体
9、的其它各点 重力作用下静止流体质量力:代入流体平衡微分方程的综合式:(2-14)第16页,讲稿共62张,创作于星期二1、在重力作用下的静止流体,选直角坐标系为Oxyz,自由液面的位置高度为z0,压强为p0,液体中任意一点的压强为质量力只有重力,X0,Y0,Zg代入公式:得到 由边界条件z=z0,p=p0可得:第17页,讲稿共62张,创作于星期二在自由液面上有:,由此可得水静力学基本方程:或 2.连通器原理连通器原理 帕斯卡连通器原理简单称为连通器原理:在仅受重力作用下的均质、连通、静止的液体中,水平面就是等压面。仅受重力作用下,静止流体中某一点的静压强随深度按线性规律变化。仅受重力作用下,静止
10、流体中某一点的静压强等于表面压强加上流体的容重与该点淹没深度的乘积。第18页,讲稿共62张,创作于星期二 自由表面下深度h相等的各点压强均相等只有重力作用下的同一连续连通的静止流体的等压面是水平面。推广:已知某点的压强和两点间的深度差,即可求另外一点的压强值。(215)二、重力作用下静流体力学基本方程二、重力作用下静流体力学基本方程 1.重力作用下静流体力学基本方程重力作用下静流体力学基本方程因为 所以,静流体力学基本方程又可写为:或 (216)第19页,讲稿共62张,创作于星期二2.静流体力学基本方程的意义:静流体力学基本方程的意义:.位置水头位置水头z:任一点在基准面以上的位置高度,表示单
11、位重量流体从某一基准面算起所具有的位置势能,简称比位能,或单位位能或位置水头。.测压管水头测压管水头p/:表示单位重量流体从压强为大气压算起所具有的压强势能,简称比压能或单位压能或压强水头。.测压管水头(测压管水头():):单位重量流体的比势能,或单位势能或测压管水头。仅受重力作用处于静止状态的流体中,任意点对同一基准面的单位势能为一常数,即各点测压管水头相等,位头增高,压头减低。在均质(=常数)、连通的液体中,水平面(z1=z2=常数)必然是等压面(p1=p2=常数)。第20页,讲稿共62张,创作于星期二二、气体静压强的计算二、气体静压强的计算 在不考虑压缩性时,式(214)也适用于气体。但
12、由于气体的密度很小,在高差不很大时,气柱所产生的压强很小可以忽略。式(214),简化为 。例如储气罐内各点的压强都相等。三、压强的表示方法及单位三、压强的表示方法及单位 1.1.压强的表示方法压强的表示方法 .绝对压强:是以绝对真空状态下的压强(绝对零压强)为基准计量的压强,用 表示,0。.相对压强:又称“表压强”,是以当地工程大气压为基准计量的压强。用p表示,p=,p可正可负,也可为零(图26)。图图2828压强的测量压强的测量录像第21页,讲稿共62张,创作于星期二 .真空度:真空度:是指P Pabcabc小于一个大气压的受压状态,相对压强的负值时,如(图210)。真空值 (220)真空高
13、度 (218)图210真空高度第22页,讲稿共62张,创作于星期二 (219)(二)压强的单位及其换算(二)压强的单位及其换算 1.国际单位制:国际单位制:国际单位制中压强的单位主要有pa(或atm)、Pa(或N/m2)、Kpa(或kN/m2)、Mpa等。2.工程单位制:工程单位制:工程单位制中压强的单位主要有kgf/m2、m(H2O)、mmHg和at等。3.单位换算:单位换算:1pa=0.1013 MPa=101.3 Kpa=1.103105 Pa=1.033 kgf/m2=10.33 m(H2O)=760 mm(Hg)1at=1 kgf/m2=10 m(H2O)=736 mmHg=0.09
14、8 MPa=98 Kpa=98000 Pa说明:说明:计算时无特殊说明时液体均采用相对压强计算,气体一般选用绝对压强。第23页,讲稿共62张,创作于星期二 例例21 求淡水自由表面下2m深处的绝对压强和相对压强(认为自由表面的绝对压强为1at)解解:绝对压强 相对压强:第24页,讲稿共62张,创作于星期二 例例22 密闭容器(图28),测壁上方装有U形管水银测压计,该值hp20cm。试求安装在水面下3.5m处的压力表读值。解解:U形管测压计的左支管开口通大气,液面相对压强加pN=0,容器内水面压强压力表读值图28测压计算第25页,讲稿共62张,创作于星期二第四节、流体的相对平衡 前面导出了惯性
15、坐标系中,液体的平衡微分方程及其综合式(29)、式(211)。在工程实践中,还会遇到液体相对于地球运动,而液体和容器之间,以及液体各部分质点之间没有相对运动的情况,这种情况称为相对平衡。根据达兰贝尔(DAlembert,Jean le Rond法国数学家,1717.11.161783.10)原理,在质量力中计入惯性力,使流体运动的问题,简化为静力平衡问题,可直接用式(29)计算。例如水车沿直线等加速行驶,水箱内的水相对地球来说,随水车一起运动,水和水箱,以及各部分水质点之间没有相对运动,相对平衡的液体质点之间无相对运动,也无切应力,只有压强。相对平衡指各流体质点彼此之间及流体与器皿之间无相对运
16、动的相对静止或相对平衡状。因为质点间无相对运动,所以流体内部或流体与边壁之间都不存在切应力。相对平衡流体中,质量力除重力外,还受到惯性力的作用。第26页,讲稿共62张,创作于星期二一、等角速度旋转容器内液体的相对平衡一、等角速度旋转容器内液体的相对平衡盛有液体的圆柱形容器,静止时液体深度为H,该容器绕垂直轴以角速度旋转。由于液体的粘滞作用,经过一段时间后容器内液体质点以同样角速度旋转,液体均容器,以及液体质点之间无相对运动,液面形成抛物面。压强分布规律压强分布规律,(220)等压面:等压面:p=p0+(2r2/2g-z)(221)录像第27页,讲稿共62张,创作于星期二例例23:求如图29所示
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