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第2章流体静力学
研究对象
1.静止流体的力学规律;
2.这些规律在工程中的应用。
流体“静止”的两种情况
1.流体相对于地球无运动,称为绝对静止;
?流休吊然对地球右云对成壮它的
L件虫然刈地球有运动,但刈篮衣匕的谷器儿个日刈运动,如容器作匀加速直线运动或等加速回转运动,流体质点间没有相对运动,这种情况称为相对静止。
静止流体的流体质点间没有相对运动,因而流体的粘性无从显示,可以看作理想流体。
流体静力学是工程流体力学中独立完整且严密符合实
际的内容,其理论无需实验修正。
第2章流体静力学
2.1静止流体上的作用力
2.2流体的平衡微分方程及其积分
2.3流体静力学基本方程2.4流体静压强的测量
2.5静止流体对平面壁的作用力
2.6静止流体对曲面壁的作用力
2.1静力流体上的作用力
如图2.1所示,在静止流体中取体积为△V的流体微团,其表面积为△A。作用在流体微团上的力可以分为两种:
1、质量力
2、表面力
△F:
△A
△F
y
图2.1静止流体上的作用力
△V
△W
Z
O
△FR
AFm
2.1.1质量力
定义:与流体微团质量大小有关并且集中作用在微团质量中心上的力称为质量力。
分类:考虑到相对静止的各种实际情况,质量力可分为:
1)重力△W=△m·g
2)直线运动惯性力4F₁=Am·a
3)离心惯性力4FR=4m·rw²
④这些力的矢量和用4Fm表示,则:
△Fm=△m·am=△m(Xi+Yj+Zk)
2.1.1质量力
如果微团极限缩为一点,即△V→0,则
dFm=dmoam=dm(Xi+Yj+Zk)(2.1)
式中:
dFm为作用在流体质点上的质量力;
am为质量力加速度,等于单位质量力,即单位质量的质量力;
X、Y、Zz为单位质量力在x、y、z轴上的投影,或简称为单位质量分力。
2.1.2表面力
定义:大小与流体表面积有关且分布作用在流体表面上的力称为表面力,它是相邻流体或固体作用于流体表面上的力。
分类:按作用方向,
1)沿表面内法线方向的压力;
2)沿表面切向的摩擦力。
流体静压力:作用在静止流体上的表面力只有
沿受压表面内法线方向的压力,称为流体静压
力。
2.1.2表面力
A解释
1)因为流体不能抵抗拉力,所以除液体自由表面处的微弱表面张力外,在流体内部是不存在拉力或张力的。
2)由于流体不表现出粘性,在静止流体内部也就不存在切向摩擦力。
国流体静压力是一个有大小、方向、合力作用点的矢量,它的大小和方向都与受压面密切相关。
2.1.2表面力
如图2.1,设作用于流体微团上的总压力为△P,即流体静压力为△P,则△A面积上的平均应力为△P
/△A,称为受压面上的平均流体静压强。当△A→0时,流体微团成为一个流体质点,则平均流体静压强的极限:
(2.2)
称为流体某一点的流体静压强,其单位为牛/米2
(N/m²),简称为帕(Pa)。
2.1.2表面力
流体静压强的特征
流体静压强没有方向性,是一个标量。静止流体中任意点的静压强值仅由该点的坐标位置决定,而与该点静压力的作用方向无关。
A证明
如图2.2所示,在静止流
体中的点M(x,y,z)处取
一微元四面体,其边长
分别为dx、dy、dz,斜
面的的外法线方向的
单位矢量为n,图2.2静止流体中的微元四面体
2.1.2表面力
各个面的面积分别为dA、dA、dA₂、dAn(符号的下标表示该面的法线方向),微元四面体斜面dAn的法线与x、y、z轴的方向余弦分别为cos(n,x)、
cos(n,y)、cos(n,z)。
作用在为微元四面体上的力有:
1)表面力。假设微元四面体各面上的压强均匀分
布,任一点的压强分别用Px、P、Pz、Pn表示,则各个面上的表面力为:
2.1.2表面力
Pn=pndAn
Pn在x、y、z轴方向的投影分别为P,cos(n,x)、
Pncos(n,y)、Pncos(n,z)。
2)质量力
作用在微元四面体上的质量力只有重力,它在
各坐标轴方向的分量为Fx、Fy、F₂。设流体的密度为p,则:
2.1.2表面力
由于流体处于平衡状态,则ZF=0,在x轴方向ZFx=0,有
P-P,cos(n,x)+Fx=0
2.1.2表面力
上式中的第三项与前两项相比为高阶无穷小量,可以忽略不计,而dA,cos(n,x)=
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