水力学电子课件第2章水静力学.pptVIP

水力学,第2章水静力学,2-1静水压强及其特性2-2液体平衡微分方程2-3重力作用下静水压强的分布规律2-4重力和惯性力同时作用下液体的相对平衡2-5压强的计算基准和量度单位、测量压强的仪器2-6静水压强分布图2-7作用在平面上的静水总压力2-8作用在曲面上的静水总压力,水静力学的主要内容,教学基本要求,1、正确理解静水压强的两个重要的特性和等压面的性质。2、掌握静水压强基本公式和物理意义，会用基本公式进行静水压强计算。3、掌握静水压强的单位和三种表示方法：绝对压强、相对压强和真空度；理解位置水头、压强水头和测管水头的物理意义和几何意义。4、掌握静水压强的测量方法和计算。5、会画静水压强分布图，并熟练应用图解法和解析法计算作用在平面上的静水总压力。6、会正确绘制压力体剖面图，掌握曲面上静水总压力的计算。7、会计算液体的相对平衡,学习重点,1、静水压强的两个特性及有关基本概念。2、重力作用下静水压强基本公式和物理意义。3、静水压强的表示和计算。4、静水压强分布图和平面上的流体总压力的计算。5、压力体的构成和绘制以及曲面上静水总压力的计算。6、处于相对平衡状态的液体中压强的计算。,2-1静水压强及其特性,一、静水压强静水压力：是指液体内部相邻两部分之间相互作用的力或指液体对固体壁面的作用力（或静止液体对其接触面上所作用的压力）。其一般用符号p表示，单位是kN或。1.平均静水压强如图2-所示它反映了受压面A上静水压强的平均值。点压强,图2-1,Fp,Fp,Fp,二、静水压强的特性静水压强的方垂直指向受压面或沿受压面的内法线方向这一特性可由反证法给予证明，如下图所示。,p,F,切向应力,作用力,法向压强,dFp,dFpn,dFp,静止液体中作用于同一点各个方向的静水压强都相等。证明如下:在静止流体中任取一微元四面体,对其进行受力分析.,py,px,pz,pn,作用在ACD面上的流体静水压强,作用在ABC面的流体静水压强,作用在BCD面的静水压强,、,作用在ABD和上的静水压强,图微元四面体受力分析,Fpz,Fpx,Fpy,Fpn,表面力：（只有各面上的垂直压力即周围液体的静水压力）,dFpz,dFpx,dFpy,dFpn,质量力：（只有重力、静止）如图所示其质量为，单位质量力在各方向上的分别为fx、fy、fz，则质量力在各方向上的分量为,以X方向为例：,fx,fy,fz,fx,因为代入上式得：当四面体无限地缩小到0点时，上述方程中最后一项近于零，取极限得,即上式说明，在静止液体中，任一点静水压强的大小与作用面的方位无关，但液体中不同点上的静水压强可以不等，因此，静水压强是空间坐标的标量函数，即：,（2-2）,fx,2-2液体平衡微分方程,一、液体平衡微分方程式在静止流体中任取一边长为dx，dy和dz的微元平行六面体的流体微团，如图所示。现在来分析作用在这流体微团上外力的平衡条件。由上节所述流体静压力的特性知，作用在微元平行六面体的表面力只有静压力。设微元平行六面体中心点处的静压强为p，则作用在六个平面中心点上的静压强可按泰勒（G.I.Taylor）级数展开，例如：在垂直于X轴的左、右两个平面中心点上的静压强分别为：,p,图微元平行六面体x方向的受力分析,略去二阶以上无穷小量后，分别等于垂直于x轴的左、右两微元面上的总压力分别为：同理，可得到垂直于y轴与z轴的微元面上的总压力分别为：,作用在流体微团上的外力除静压强外，还有质量力。若流体微团的平均密度为，则质量力沿三个坐标轴的分量为：处于静止状态下的微元平行六面体的流体微团的平衡条件是：作用在其上的外力在三个坐标轴上的分力之和都等与零。例如，对于x轴，则为整理上式，并把各项都除以微元平行六面体的质量dxdydz则得,f,f,f,f,同理得这就是流体平衡微分方程式，是在1755年由欧拉（Euler）首先推导出来的，所以又称欧拉平衡微分方程式。此方程的物理意义是：平衡液体中，静水压强沿某一方向的变化率与该方向上单位体积的质量力相等。,fX,fY,fZ为单位质量力在各方向上的分力,f,f,把上式两边分别乘以dx，dy，dz，然后相加，得流体静压强是空间坐标的连续函数，即，它的全微分为所以此式称为压强差公式。它表明：在静止流体中，空间点的坐标增量为dx、dy、dz时，相应的流体静压强增加dp，压强的增量取决于质量力。,三、等压面在流体中，压强相等的各点所组成的面称为等压面。1.等压面方程2.等压面特性等压面就是等势面。作用在静止流体中任一点的质量力必然垂直于通过该点的等压面。等压面不能相交绝对静止流体的等压面是水平面两种互不相混的静止流体的分界面必为等压面结论：同一种静止相连通的流体的等压面必是水平面（只有重力作用下）自由表面、不同流体的交界面都是等压面。,2-3重力作用下静水压强的分布规律,压强由两部分组成：,静水压强的基本方程,液面上的气体压强p0,高度为h的水柱产生的压强gh,在质量力只有重力的情况下,静止液体中的压强符合如下规律:,静水压强的基本方程也可写成如下形式:,式中c为积分常数，由边界条件确定。静水压强基本方程的适用范围是:重力场中连续、均质、不可压缩流体。,若在静止液体中任取两点l和2，点1和点2压强各为p1和p2，位置坐标各为z1和z2，则可把式改写成另一表达式，即：,为了进一步理解静水压强基本方程式，现在来讨论该方程的物理意义和几何意义1.物理意义式中：z的物理意义表示为单位重量流体对某一基准面的位置势能。式中的表示单位重量流体的压强势能。,这可说明如下：如图所示，容器离基准面z处开一个小孔，接一个顶端封闭的玻璃管(称为测压管)，并把其内空气抽出，形成完全真空(p=0)，在开孔处流体静压强p的作用下，流体进入测压管，上升的高度h=p/g称为单位重量流体的压强势能。位势能和压强势能之和称为单位重量流体的总势能。所以静水压强基本方程表示在重力作用下静止流体中各点的单位重量流体的总势能是相等的。这就是静止液体中的能量守恒定律。,2.几何意义单位重量流体所具有的能量也可以用液柱高度来表示，并称为水头。式中：z具有长度单位，如图所示，z是流体质点离基准面的高度，所以z的几何意义表示为单位重量流体的位置高度或位置水头。也是长度单位，它的几何意义表示为单位重量流体的压强水头。位置水头和压强水头之和称为静水头。所以该式也表示在重力作用下静止流体中各点的静水头都相等。在实际工程中，常需计算有自由液面的静止液体中任意一点的静压强。,如图所示，在一密闭容器中盛有密度为的液体，若自由液面上的压强为p0、位置坐标为z0，则在液体中位置坐标为z的任意一点A的压强p可由该式得到，即或式中h=z0-z是静止流体中任意点在自由液面下的深度。上式是重力作用下流体液体方程的又一重要形式。由它可得到三个重要结论：(1)在重力作用下的静止液体中，静压强随深度按线性规律变化，即随深度的增加，静压强值成正比增大。(2)在静止液体中，任意一点的静压强由两部分组成：一部分是自由液面上的压强p0；另一部分是该点到自由液面的单位面积上的液柱重量。(3)在静止液体中，位于同一深度(h常数)的各点的静压强相等，即任一水平面都是等压面。,p0=pa,例题已知：p0=98kN/m2，h=1m，求：该点的静水压强,h,解：,p,pa,在容器壁面上同水深处的一点所受到的压强有多大？该点所受到的有效作用力有多大？,？,一、压强的表示1.计算基准绝对压强：以完全真空时的绝对零压强(p0)为基准来计量的压强称为绝对压强；相对压强：以当地大气压强为基准来计量的压强称为相对压强。绝对压强与相对压强之间的关系可在下面导出。当自由液面上的压强是当地大气压强pa时，则液体中任一点的压强可写成因为p可以由压强表直接测得，所以又称计示压强。,2-3压强的计算基准和量度单位,当流体的绝对压强低于当地大气压强时，就说该流体处于真空状态。例如水泵和风机的吸入管中，凝汽器、锅炉炉膛以及烟囱的底部等处的绝对压强都低于当地大气压强，这些地方的计示压强都是负值，称为真空或负压强，用符号pv表示，则为了正确区别和理解绝对压强、计示压强和真空之间的关系，可用图来说明。,真空,绝对压强,计示压强,绝对压强,图绝对压强、计示压强和真空之间的关系,流体静压强的量度单位主要有三种:应力单位,大气压的倍数和液注高度。为了便于换算，现将常遇到的几种压强单位及其换算系数列于表中。,表压强的单位及其换算表,当地大气压强在没有特别说明情况下，一般以1个工程大气压强计。故,例题：如图已知，p0=98kN/m2，h=1m，求：该点的绝对压强及相对压强,解：,例2：如图已知，p0=50kN/m2，h=1m，求：该点的绝对压强及相对压强,解：,pa,相对压强为什么是负值？什么位置处相对压强为零？,？,2.4测量压强的仪器,测压管U型管测压计差压计微压计,如图可测水中大于大气压的相对压强,1、测压管,2、U形管测压计,由于U形管1、2两点在同一等压面上，由此可得A点的相对压强,当被测流体为气体时，由于气体的密度比较小，上式最后一项可以忽略不计。,当被测流体压强较大时，常采用图所示的U形管测压计在连续静止的汞中读出、。则有,【例题】已知密闭水箱中的液面高度h4=60mm，测压管中的液面高度h1=100cm，形管中右端工作介质高度，如图所示。试求形管中左端工作介质高度h3为多少？【解】列11截面等压面方程，则（a）列22截面等压面方程，则（b）把式（a）代入式（b）中=0.1365(m)=136.5(mm),例题图示,【例题】用双形管测压计测量两点的压强差，如图所示，已知h1=600mm，h2=250mm，h3=200mm，h4=300mm，h5=500mm，1=1000/m3，2=800/m3，3=13598/m3，试确定和两点的压强差。【解】根据等压面条件，图中11，22，33均为等压面。可应用流体静力学基本方程式逐步推算。P1=p2+1gh1p2=p1-3gh2p3=p2+2gh3p4=p3-3gh4pB=p4-1g(h5-h4),逐个将式子代入下一个式子，则pB=pA+1gh1-3gh2+2gh3-3gh4-1g(h5-h4)所以pA-pB=1g(h5-h4)+3gh4+3gh2-2gh3-1gh1=9.8061000（0.5-0.3）+1334000.3-78500.2+1334000.25-9.80610000.6=67876（Pa）,3、差压计,定义：,管道上部为倒U形管式水柱差计，忽略空气密度，则计算公式为：,测量两点压强差的仪器叫做压差计。如图所示。水管下部为U形管式汞差压计，它的计算公式为：,4、微压计,测量较小压强或压强差的仪器叫做微压计。如图所示就是其中一种。,定义：,因此，根据静水压强基本方程可得,倾斜式微压计是由一根倾角可调的玻璃管（横截面面积为）和一个盛液体的小容器（横截面面积为）组成。如果斜管入口压强和容器入口压强相等，则容器内液面与斜管中的液面齐平；当和不相等时，例如，则斜管中液面将上升，容器内液面下降。,由于容器内液面下降的体积与斜管中液面上升的体积相等，即有,又,整理得,【例2-1】如图所示为双杯双液微压计，杯内和形管内分别装有密度1=lOOOkg/m3和密度2=13600kg/m3的两种不同液体，大截面杯的直径100mm，形管的直径d=10mm，测得h=30mm，计算两杯内的压强差为多少?【解】列12截面上的等压面方程由于两边密度为1的液体容量相等，所以D2h2=d2h，代入上式得=3709.6(pa),图2-17,2.5静水压强分布图,即表示受压面上各点压强（大小和方向）分布的图形，简称静水压强图。绘制规则：按一定的比例尺，用一定长度的线段代表流体静压强的大小。用箭头表示流体静压强的方向，并与该处作用面相垂直。在水利工程中，一般只需计算相对压强，所以只需绘制相对压强分布图，当流体的表面压强为时，即p与h呈线性关系，据此绘制流体静压强图。,A,B,C,压强分布示意图,静水压强分布示意图,静水压强分布图实例,pa,Pa+gh,画出下列AB或ABC面上的静水压强分布图,相对压强分布图,ghB,画出下列容器左侧壁面上的压强分布图,2.6作用于平面壁上的静水总压力,图解法,解析法适用于任意形状平面,适用于矩形平面,图解法作用于矩形平面上的静水总压力的计算,静水压强分布图,把某一受压面上压强随水深变化的函数关系表示成图形，称为静水压强分布图。,的绘制规则：,1.按一定比例,用线段长度代表该点静水压强的大小,2.用箭头表示静水压强的方向,并与作用面垂直,静水总压力的大小:,其中b为矩形受压面的宽度；为静水压强分布图形的面积；,静水总压力的方向：垂直并指向受压面,静水总压力的作用点（压力中心或压心）：通过压强分布体的重心（或在矩形平面的纵对称轴上，且应通过压强分布图的形心点）,举例,【例题】如图所示，某挡水矩形闸门，门宽b=2m，一侧水深h1=4m，另一侧水深h2=2m，试用图解法求该闸门上所受到的静水总压力。,解法一：,首先分别求出两侧的水压力，然后求合力。,方向向右,依力矩定理：,可解得：e=1.56m,答:该闸门上所受的静水总压力大小为117.6kN，方向向右，作用点距门底1.56m处。,合力对任一轴的力矩等于各分力对该轴力矩的代数和。,解析法作用于任意形状平面上的静水总压力,M（b，L）,dA,其中为平面对Ob轴的面积矩,所以静水总压力的大小为,其中pc为受压面形心点的压强；A为受压面的面积。,依力矩定理，,其中为平面对Ob轴的面积惯性矩，记为,整理可得静水总压力的压心位置：,其中Ic表示平面对于通过其形心点且与Ob轴平行的轴线的面积惯性矩。,举例,【例题】一垂直放置的圆形平板闸门如图所示，已知闸门半径R=1m，形心在水下的淹没深度hc=8m，试用解析法计算作用于闸门上的静水总压力。,解：,答：该闸门上所受静水总压力的大小为246kN，方向向右，在水面下8.03m处。,【例题】某泄洪隧洞，在进口倾斜设置一矩形平板闸门（如图），倾角=60,门宽b=4m，门长L=6m，门顶的淹深h1=10m,若不计闸门自重时，问：沿斜面拖动闸门所需的拉力T为多少？（已知闸门与门之间摩擦系数f=0.25）门上静水总压力的作用点在哪里？解：当不计门重时，T至少需克服闸门与门之间的摩擦力，故T=Pf为此，需求出P。用图解法求P及其作用点。如图画出其压力分布图，则P=Ab=1/2(h1+h2)Lb=2964KN作用点距闸门底部的斜距（h1=10，h2=10+6sin）P距平面的斜距,（也可用解析法求解）,例题图示,【例题】下图表示一个两边都承受水压的矩形水闸，如果两边的水深分别为h1=2m，h2=4m，试求每米宽度水闸上所承受的净总压力及其作用点的位置。【解】淹没在自由液面下h1深的矩形水闸的形心yc=hc=h1/2每米宽水闸左边的总压力为由压力中心公式确定的作用点F1位置,例题图示,其中通过形心轴的惯性矩IC=bh31/12，所以即即F1的作用点位置在离底1/3h=2/3m处。淹没在自由液面下h2深的矩形水闸的形心yc=hc=h2/2。每米宽水闸右边的总压力为（）同理F2作用点的位置在离底1/3h2=2/3m处。每米宽水闸上所承受的净总压力为F=F2-F1=78448-19612=58836（）假设净总压力的作用点离底的距离为h，可按力矩方程求得其值。围绕水闸底O处的力矩应该平衡，即（m),2-7作用在曲面上的静水总压力,实际工程中有许多承受液体总压力的曲面，主要是圆柱体曲面，如锅炉汽包、除氧器水箱、油罐和弧形阀门等。由于静止液体作用在曲面上各点的压强方向都垂直于曲面各点的切线方向，各点压强大小的连线不是直线，所以计算作用在曲面上静止液体的总压力的方法与平面不同。,一、总压力的大小和方向图a和图b所示为一圆柱形开口容器中某一部分曲面AB上承受液体静止压强的情况。设曲面的宽度为b，在A处取一微小弧段ds，则作用在宽度为b、长度为ds的弧面dA上仅由液体产生的总压力为,C,D,B,Ax,H,h,dP,dPx,dPz,ds,图a)作用在圆柱体曲面上的总压力,图b)作用在圆柱体曲面上的总压力,这一总压力在OX轴与OZ轴方向的分力为：（a）（b）1水平分力由图a和图b可知，代入到式(a)，则因此，静止液体作用在曲面AB上的总压力在OX轴方向的分力，即水平分力为（c）式中为曲面面积在垂直平面（OYZ坐标面）上的投影面积AX对OY轴的面积矩，它等于投影面积的形心到OY轴的距离与投影面积的乘积，即。,该圆柱形曲面在垂直平面上的投影面积Ax=bH，其形心hc=H/2，则由此可知，静止液体作用在曲面上的总压力的水平分力等于作用在这一曲面的垂直投影面上的总压力。Px作用线的位置位于自由液面下2/3H处。2垂直分力由图a和图b可知，代入到式（b），则因此静止液体作用在曲面AB上的总压力在OZ轴方向的分力，即垂直分力为,式中是曲面AB与自由液面间的柱体体积，在图a上就是面积OAB乘以曲面的宽度b，这个体积称为压力体。由此可知，静止液体作用在曲面上的总压力的垂直分力等于压力体的液体重量，Px的作用线通过压力体的重心。3总压力的大小和方向求得了静止液体作用在曲面上水平分力Fx和垂直分力Fz后，就可确定静止液体作用在曲面上的总压力，即总压力与垂线间夹角的正切为,二、总压力的作用点总压力的作用线通过点px和pz与作用线的交点。总压力作用线与曲面的交点就是总压力在曲面上的作用点，即压力中心。,三、压力体,压力体是所研究的曲面（淹没在静止液体中的部分）到自由液面或自由液面的延长面间投影所包围的一块空间体积。它的计算式是一个纯数学体积计算式。作用在曲面上的垂直分力的大小等于压力体内液体的重量，并且与压力体内是否充满液体无关。为了说明这一点，作图c，它表示由两个形状、尺寸和淹深完全相同的曲面ab和ab所构成的容器，容器内盛有某种液体。曲面ab的压力体是过曲面的a和b两点引垂线到液面所得abcd与容器的宽度构成的。曲面ab的压力体是过a和b,h,d,d,c,m,m,c,Pz,图c压力体的概念图,Pz,通常将液体和压力体处于受压曲面同侧的压力体称为实压力体或正压力体，如abcd，实压力体的方向向下；将液体和压力体分布处于受压曲面异侧的压力体称为虚压力体或负压力体，如abcd，方向向上。举例,压力体应由下列周界面所围成：,（1）受压曲面本身,（2）自由液面或液面的延长面,（3）通过曲面的四个边缘向液面或液面的延长面所作的铅垂平面,四、静止液体作用在曲面上的总压力的计算程序(1)将总压力分解为水平分力Px和垂直分力Pz。(2)水平分力的计算，（如图c）。(3)确定压力体的体积。(4)垂直分力的计算，方向由虚、实压力体（如图d）确定。(5)总压力的计算，。(6)总压力方向的确定，。(7)作用点的确定，即总压力的作用线与曲面的交点即是。,【例题】求图e所示流体施加到水平放置的单位长度圆柱体上的水平分力和垂直分力：（a）如果圆柱体左侧的流体是一种计示压强为35kPa被密封的箱内的气体；（b）如果圆柱体左侧的流体是水，水面与圆柱体最高部分平齐，水箱开口通大气。【解】（a）圆柱体表面所研究部分的净垂直投影为则35kPa计示压强的气体作用在单位长度圆柱体上的水平分力为Az=4-2(1-cos300)1则35kPa计示压强的气体作用在单位长度圆柱体上的水平分力为Fx=pAz=354-2(1-cos300)1=353.75=130.5(kN)圆柱体表面所研究部分的净水平投影为Ax=2sin3001,则气体作用在单位长度圆柱体上的垂直分力为Fz=pAx=352sin3001=35(kN)（b）Fx=ghcAx=9.81(1/23.73)(3.731)1000=68.1（kN）Fz=gVp=9.811000(2100/360022+1/211.732+12)1=100.5(KN),【例题】一弧形闸门如图所示，闸门宽度b=4m，圆心角=45，半径R=2m，闸门旋转轴恰与水面齐平。求水对闸门的静水总压力。,解：闸门前水深为,水平分力：,铅直分力：,静水总压力的大小：,静水总压力与水平方向的夹角：,静水总压力的作用点：,答：略。,【例题】图f所示为一水箱，左端为一半球形端盖，右端为一平板端盖。水箱上部有一加水管。已知h=600mm，R=150mm，试求两端盖所受的总压力及方向。【解】（1）右端盖是一圆平面，面积为A右=R2其上作用的总压力有F右=g(h+R)A右=g(h+R)R2=1039.806(0.6+0.15)3.140.152=520（N）方向垂直于端盖水平向右（2）左端盖是一半球面，分解为水平方向分力Fx左和,垂直方向分力Fz左。Fx左=g(h+R)Ax=g(h+R)R2=1039.806(0.6+0.15)3.140.152=520（N）方向水平向左垂直方向分力由压力体来求，将半球面分成AB、BE两部分，AB部分压力体为ABCDEOA，即图中左斜线部分，记为VABCDEOA，它为实压力体，方向向下；BE部分压力体为BCDEB，即图中右斜线部分，记为VBCDEB，它为虚压力体，方向向上。因此总压力体为它们的代数和。Vp=VABCDEOA-VBCDEB=VABEOA,Vp正好为半球的体积，所以Vp=1/24/3R3Pz左=gVp=g2/3R3=1039.8062/33.140.153=69.3(N)方向垂直向下总作用力为（N）合力通过球心与水平方向夹角为,图f,下面以流体平衡微分方程式为基础，讨论质量力除重力外，还有牵连惯性力同时作用的液体平衡规律。在这种情况下，液体相对于地球虽然是运动的，但液体质点之间、质点与器壁之间都没有相对运动，所以这种运动称为相对平衡。现讨论以下两种相对平衡。一、直线等加速器皿中液体的相对平衡如后图，盛有液体的容器在与水平面成角的斜面由上向下作匀加速直线运动，加速度为a。当为零时，显然液面为水平面。设加速度为a时液面与