第1章流体属性与流体静力学.ppt

如图为旋转液体压强分布演示： 1.6 液体的相对平衡问题 包围整个地球的空气总称为大气。在大气层内温度、压强、密度、粘性、声速等随高度发生变化。按其变化特征，可将大气分为若干层。 （1）对流层------从海平面起算的最低一层大气，高度0—11km。在这一层内密度最大，所含空气质量约占整个大气质量的3/4。空气存在上下流动，雷雨和风暴等气象变化均发生在这一层内，温度随高度直线下降。 1.7 标准大气 （2）平流层----高度从11—32km，所含空气质量占整个大气的1/4。大气只有水平方向的运动，没有雷雨等气象变化。从11-20km，温度不变T=216.65K（同温层）；从20-32km，温度随高度而上升。 （3）中间大气层---高度从32-80km，在这一层温度先是随高度上升，在53km处达到282.66K，以后下降，在80km处降低到196.86K。这一层的空气质量约占总质量的1/3000。 （4）高温层---高度80-400km，温度随高度上升，到400km处达1500-1600K。在150km以上，由于空气过分稀薄，可闻声已经不存在。 1.7 标准大气 （5）外层大气—高度400—1500/1600km，空气分子有机会逸入太空而不与其它分子碰撞。空气质量占总质量的10-11 。 空气主要成分：N2占78%，O2占21%。 普通飞机主要在对流层和平流层里活动。 飞机最大高度39km，探测气球44km，人造卫星100-1000km。大多数陨石消灭在40-60km。 1.7 标准大气 气象条件逐日都有些变化，更不用说不同的季节了,并且不同地区气象也不相同。无论做飞行器设计，还是做实验研究，都要用到大气的条件，为了便于比较，工程上需要规定一个标准大气。这个标准是按中纬度地区的平均气象条件定出来的。这样做计算时，都依此标准进行计算；做实验时，也都换算成标准条件下的数据。 标准大气规定在海平面上，大气温度为 15℃ 或 T0 = 288.15K ，压强 p0 = 760 毫米汞柱 = 101325牛/米2，密度ρ0 = 1.225千克/米3 1.7 标准大气 从基准海平面到 11 km 的高空称为对流层，在对流层内大气密度和温度随高度有明显变化，温度随高度增加而下降，高度每增加 1km，温度下降 6.5 K，即： 从 11 km 到 21km 的高空大气温度基本不变，称为同温层，在同温层内温度保持为 216.5 K。 1.7 标准大气 因大气密度ρ是变量且与p、T 有关，我们可用静平衡微分方程先把压强随高度下降的规律推导出来。 高度大于 21km 以上时大气温度随高度的变化参见下图，大气温度随高度变化的原因复杂，主要因素有：地表吸收太阳热量、臭氧吸热与电离放热、空气或宇宙尘埃受短波辐射升温等。 1.7 标准大气 在如图坐标系中考虑某高度上的单位质量空气微元，其受到的彻体力分量为： 某个高度上的大气压强可以看作是面积为1米2的一根上端无界的空气柱的重量压下来所造成的 ，如图 代入平衡微分方程可得： 1.7 标准大气 根据理想气体状态方程 ，密度写为压强和温度的表达即 代入平衡微分方程得： T 是高度 y 的已知函数，严格说 g 也随 y 有所变化，但在对流层范围内其影响极小，这里就把它当常数看，其值为9.80665米/秒2。将 T 的式子代入，即可分离变量 。 1.7 标准大气 代入微分方程得： 下标H代表高度为H米处的大气参数。 将对流层的 积分得： 1.7 标准大气 在同温层内，即11km到21km为止， 代入微分方程 并积分： 根据状态方程可得密度比： 根据地面的标准大气参数即可得出对流层某高度H处压强和密度分布。 1.7 标准大气 结果得： 下标“11”代表H=11000米处的参数 。 其他高度上的压强、密度参数都可以仿此由温度随高度的变化关系代入上述微分方程后积分得出。这样计算出来的大气参数（压强、密度、温度、粘性、声速等的总称）列成标准大气表 ，可供查阅参考。 1.7 标准大气 右图是同温层高度范围内温度T、压强 p、密度ρ和分子平均自由程随高度 H 变化的曲线： 1.7 标准大气 本章基本要求： 掌握连续介质假设的概念、意义和条件； 了解掌握流体的基本物理属性，尤其是易流性、压缩性和粘性等属性的物理本质和数学表达； 掌握流体力学中作用力的分类和表达、理想流中压强的定义及其特性； 初步掌握静止流体微团的力学分析方法，重点掌握流体平衡微分方程的表达及其物理意义； 在流体平衡微分方程的应用方面，重点掌