《传热学》-第二章　流体静力学

第一节流体静压强及其特性一、流体静压强的定义和单位处于静止状态下的流体,不仅对与其相接触的固体边壁有压力,而且在流体内部,相邻的流体之间也有压力作用,这种压力称为流体静压力,用符号P表示,单位是牛顿(N).作用在单位面积上的流体静压力称为流体静压强,用符号p表示.压强的计量单位有三种,即(１)用单位面积上的压力来表示.在国际单位制中用N/m２(Pa),也可用kPa或MPa.在工程单位制中用kgf/m２或kgf/cm２.(２)用液柱高度表示.常用mH２O、mmH２O、mmHg.下一页返回第一节流体静压强及其特性(３)用大气压强表示.国际上常用标准大气压(atm),工程上一般用工程大气压(at).latm＝１０１３２５Pa＝１０３３mH２O＝７６０mmHg１at＝１kgf/cm２＝９８０７０Pa＝１０mH２O＝７３６mmHg二、压强的两种计算基准压强有两种计算基准,即绝对压强和相对压强.以没有气体分子存在的绝对真空为零点起算的压强称为绝对压强,用符号p′表示.以当地同高程的大气压强pa为零点起算的压强称为相对压强,用符号p表示.p＝p′－pa(２-１)上一页下一页返回第一节流体静压强及其特性绝对压强只能是正值,而相对压强可正可负.当相对压强为正值时,称其为表压力;当相对压强为负值时,其绝对值称为真空度,用符号pv表示.pv＝pa－p′(２-２)为了区别以上几种压强,现将它们的关系表示在图２-１中.

三、流体静压强的特性(１)流体静压强的方向与作用面垂直,并指向作用面.(２)作用于流体中任一点静压强的大小在各个方向上均相等,与作用面的方位无关.上一页返回第二节流体静压强的分布规律一、液体静压强的基本方程图２-２所示为重力作用下的静止均质液体.在液面下深度为h处任选一点A,围绕A点取一水平微小面积dA,再以dA为底,取一垂直的棱柱体作为隔离体,柱体顶面与自由液面重合.下面分析作用在液柱上的力.(１)表面力.作用在液柱顶面上的压力为p０dA,方向垂直向下,p０为液柱表面压强;作用在液柱底面上的压力为pdA,方向垂直向上,p为作用在底面的压强;作用在液柱侧面上的压力,它们都是水平方向,且成对互相平衡.(２)质量力.作用在液柱上的质量力只有重力,其值为γhdA,方向垂直向下.由于液体处于静止状态,根据力的平衡原理,其沿垂直方向,所以外力的合力等于零.下一页返回第二节流体静压强的分布规律pdA－p０dA－γhdA＝０整理得p＝p０＋γh(２-３)根据液体静压强的基本方程式(２-３),可以得出以下结论:１)静止液体中任一点的压强是由液面压强p０和该点在液面下的深度与容重的乘积γh两部分组成.压强的大小与容器的形状无关.只要知道液面压强p０和某点在液面下的深度h,就可求出某点的压强.２)当液面压强p０增大或减小时,液体内各点的静压强也相应地增大或减小,即液面压强的任何变化将等值地传递到液体内部各点.３)液体静压强随液体深度逐渐增大.当容重一定时,静压强随深度呈线性规律变化.上一页下一页返回第二节流体静压强的分布规律液体静压强基本方程对于不可压缩气体仍然适用.由于气体的容重很小,在高差不大的情况下,气柱产生的压强值很小,所以,可以忽略γh的影响,则式(２-３)可简化为p＝p０

(２-４)即认为气体空间各点的压强相等.二、等压面在静止液体中,由压强相等的点组成的面称为等压面.根据液体静压强的基本方程式(２-３)可知,在连通的同种静止液体中,深度相同的各点压强也相等.由此可得出以下结论:(１)在连通的同种静止液体中,水平面必然是等压面.(２)静止液体的自由液面是水平面,也是等压面.上一页下一页返回第二节流体静压强的分布规律(３)两种不同液体的分界面是水平面,也是等压面.我们结合图２-５来具体分析判断等压面.在图２-５(a)中,位于同一水平面上的１、２、３、４各点满足静止、同种、连续三个条件,所以,通过该四点的水平面是等压面.在图２-５(b)中,连通器被阀门隔断,液体不连续,所以,通过５、６两点的水平面不是等压面.在图２-５(c)中,连通器中装有两种不同液体,通过７、８两点的水平面为分界面,所以,通过７、８两点的水平面是等压面;通过a、b两点的水平面穿过两种不同液体,所以,通过a、b两点的水平面不是等压面.在图２-５(d)中,c、d两点虽然属于静止的同种液体,但不连续,中间被气体隔开了,所以,这两点的水平面不是等压面.等压面是流体静力学中的一个重要概念,利用它来推算静止液体中各点的压强,可使许多复杂问题得到简化.上一页返回第三节液柱式测压计常用的测量压强的仪器有金属式、电测式和液柱式三种.由于液柱式测压计具有直观、可靠、经济、方便等优点,所以,在工程上得到广泛的应用.下面介绍几种常用的液柱式测压计.一、测压管测压管是一根玻璃直管或U形管,其一端开口向上与大气相通,另一端连接在需要测量的管道或容器上,如图２-６所示.测量液体压强时,根据自身液体测压管内液面上升(或下降)的高度,便可求得其相对压强(或真空度).在图２-６(a)中,pA

＝γhA在图２-６(b)中,pv＝γhv下一页返回第三节液柱式测压计测量气体压强时,可以采用U形管盛液体,如图２-６(c)所示.pA

＝γhA测压管一般用来测量较小的压强.测量较大的压强时,可采用U形水银测压计,如图２-７所示.pA

＝γHghHg－γh２若管道或容器内为气体,则pA＝γHghHg二、压差计压差计(又称为比压计)是用来测量两点压强差的装置.上一页下一页返回第三节液柱式测压计图２-８所示为一水银压差计,两端分别连接在需要量测的A、B两点上.根据U形管中水银面的高度差,即可计算出A、B两点的压强差.三、微压计当测量微小压强或压差时,为了提高测量精度,可采用微压计,如图２-９所示.根据静压强基本方程,等压面上的压强为p１＝p２＋γh＝p２＋γlsinα在测量时,α为定值,只需测得倾斜长度l,就可得到压强或压强差.由于l＝h/sinα,这表明l比h放大了l/sinα倍.倾角α越小,放大的倍数就越大,