流体力学第二章河海大学.ppt

流体力学,流体力学与水力学研究所 2013-08-20,2/64,第二章 流体静力学(Fluid statics),流体静力学研究流体在静止状态下的受力平衡规律及其在工程中的应用 根据力学平衡条件研究静压强的空间分布规律，确定各种承压面上静压强产生的总压力，是流体静力学的主要任务 2.1 流体静压强 2.2 静止流体中一点的应力状态 2.3 流体静力学基本方程 2.4 若干概念 2.5 静水压强分布 2.6 平面上静止液体的总压力 2.7 曲面上静止液体的总压力,3/64,概述,静水力学是研究液体的平衡规律及其应用的学科。 液体的静止状态有两种：绝对静止、相对静止。 实际工程中的静水力学问题。 水静力学的理论是学习水动力学的基础。 静水力学的研究过程：“由点到面”。,4/64,1、静水压力是指平衡液体内部相邻两部分之间相互作用的力或者指液体对固体壁面的作用力。,2.1 静水压强,静水压强的定义,5/64,2、静水压强是指单位面积的静水压力,6/64,2.2 静止流体中一点的应力状态,静水压强的方向垂直指向作用面，即和作用面的内法线方向一致。这也表明静止液体内的应力只能是压应力，无切应力。 同一点处各个方向的静水压强大小都相等，即一点处的应力状态与方向无关。,正应力与压强关系,静水压强特征,7/64,证明第二个特性,（1）表面力,8/64,（2）质量力,面积关系,9/64,令 x 0，y 0，z 0 取极限(将四面体流体元缩小成一个流体质点)，得出,10/64,由此可见,静水压强是一标量函数,11/64,2.3 流体静力学基本方程,考察六面体形状的流体元在质量力(重力)和表面力(压力)作用下的平衡。,1. 重力场中流体的平衡,12/64,流体平衡微分方程的推导 （1）表面力 六面体中心点M(x，y，z)的压强为p 根据泰勒级数展开式,点的压强为,13/64,点的压强为,14/64,（2）质量力,x与y方向的质量力为零,z方向的质量力为：,15/64,三个方向的平衡微分方程,16/64,流体平衡的微分方程,17/64,由瑞士学者欧拉于1775年首次导出，称为欧拉 平衡微分方程,如果质量力在各个方向都有分量,18/64,对于均质不可压缩流体，= 常数。对上式积分，得出 ：,式中，C1为积分常数。,19/64,2. 流体静力学基本方程,（1）流体静力学基本方程形式之一,20/64,21/64,22/64,（2）流体静力学基本方程形式之二, 利用该式可求出任意点处的压强 p。,23/64,2.4 若干概念,1.标准大气压强 1个标准大气压强 76cm水银柱在其底部 所产生的压强 10.332m水柱在其底部 所产生的压强 101.3kPa,24/64,2.4.1绝对压强、相对压强、真空压强,25/64,26/64,衡量压强的大小根据起量点的不同，有绝对压强(Absolute pressure)和相对压强（ Relative pressure ）。 以绝对（或完全）真空状态为计算零点所得到的压强称为绝对压强，以 pabs 表示。,27/64,相对压强（Relative pressure) 计示压强或表压强（Gagepressure)。,以当地大气压为计算零点所得到的压强称为 相对压强，又称表压强， 以 pr 表示。,28/64,绝对压强与相对压强之间的关系,29/64,真空(Vacuum)的概念：如果某点的绝对压强小于大气压强，则认为该点出现了真空。出现真空时相对压强为负值，故又认为出现了负压。 真空压强用pv 表示,30/64,真空示例,31/64,静水压强实验装置,32/64,需要强调的是，等压面与质量力正交；静 止液体内等压面是水平面这一结论，只能 适用于互相连通的同一种液体。,2.4.2 等压面及其应用,重力场中的等压面水平面,33/64,例图2.1,34/64,例图2.2,35/64,例图2.3,36/64,例图2.4,37/64,38/64,2.5 静水压强分布,1.平板闸门静水压强分布图,39/64,平板闸门上、下游静水压强分布图,40/64,41/64,42/64,2.6 作用于平面上的静水总压力,2.6.1解析法,43/64,1、静水总压力的大小,44/64,2.静水总压力的方向 静水总压力P 的方向垂直指向受压面。,45/64,3、静水压力的作用点,总压力的力矩：,各分力的力矩和：,46/64,则可得出：,利用惯性矩平行移轴定理：,47/64,适用于上、下两个边是水平的矩形平面，不管平面 放的方位如何。 静水总压力的大小： 其大小: P =b 式中: 为压强分布图的面积; b 为作用面的宽度。,2.6.2 矩形平面静水压力压力图法,48/64,总压力的方向：垂直指向作用面 总压力的作用点：矩形平面上静水总压力 P 的作用线通过压强分布体的重心。（也 就是矩形半宽处的压强分布图的形心）， 作用线与矩形平面的交点就是压力中心D。,49/64,50/64,2.对压强分布为梯形的总压力的计算,作用点距底面,51/64,静水总压力实验装置,52/64,2.7 作用于曲面上的静水总压力,首先分析作用于具有水平母线的二向曲面上的静水总压力。,53/64,2.7.1 静水总压力的大小,54/64,55/64,压力体是由以下面构成：,56/64,57/64,静水总压力P 与水平面之间的夹角为，,求得角后，便可定出P 的作用线的方向。,2.7.2静水总压力的方向,58/64,关于作用点分两种情况讨论