工程流体力学(英文版)第二章.pdf
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工程流体力学第二章 流体及其物理性质
1 103 Pa s 0.01P 1.8 105 Pa s 0.00018P
常温常压下空气的运动粘度是水的15倍 水 空气
1 106 m 2 / s 0.01cm 2 / s
15 105 m 2 /s 0.15cm 2 /s
第二节 流体的连续介质模型
微观: 流体由大量做无规则运动的分子组成的,分子之间存 在空隙,流体并不连续。 标准状况下,1mm3液体中含有3.4×1019个分子,相邻 分子间的距离约为3.1×10-8cm。1mm3气体中含有 2.7×1016个分子,相邻分子间距离约为3.2×10-6mm。 观看录像》 blyd.rm 宏观: 考虑宏观特性,在流动空间和时间上所采用的一切特 征尺度和特征时间都比分子距离和碰撞时间大得多。
第五节 流体的粘性
实际流体和理想流体
实际流体(粘性流体) 现实中的流体都具有粘性,因为都是由分子组成,都存在分子间的引 力和分子的热运动,故都具有粘性,所以,粘性流体也称实际流体。 理想流体 假想没有黏性、完全不可压缩的流体。 具有实际意义: 由于实际流体存在粘性使问题的研究和分析非常复杂,甚至难以进行, 为简化起见,引入理想流体的概念。 一些情况下基本上符合粘性不大的实际流体的运动规律,可用来描述实 际流体的运动规律,如空气绕流圆柱体时,边界层以外的势流就可以用理 想流体的理论进行描述。 还由于一些粘性流体力学的问题往往是根据理想流体力学的理论进行分 析和研究的。再者,在有些问题中流体的粘性显示不出来,如均匀流动、 流体静止状态,这时实际流体可以看成理想流体。 所以建立理想流体模型具有非常重要的实际意义。
工程流体力学 第二章
18
2.2.2 欧拉法
或以矢量形式简洁表示为:
v vxi vy j vzk v( x, y, z, t )
同样地,在欧拉法中,流体的其他运动参数 或物理量(无论矢量或标量)均可表示为:
( x, y , z , t )
19
2.2.3 两种方法的关系
拉格朗日法和欧拉法两种不同表示方法在数 学上是可以互换的。两种方法之间的互换就 是拉格朗日变量和欧拉变量之间的数学变换。
( x , y , z , t ) t
只反映 在空间点(x,y,z) 处的时间变化特性 (即不同时刻经过该空间点的流体质点具有不 同的 ),不代表同一质点物理量的变化,所 以不是质点导数。
30
2.2.4 质点导数
( x , y , z , t ) t
反映了物理量在空间点(x,y,z)处的时间变化 特性,故可用来判定流场是否是稳态流场, 若是稳态的,则
对于稳态流动,则有:
v vx v y vz 0或 0 t t t t
对于任意流体物理量 流动条件下均有: ,稳态
10
2.1.2流动分类
流体流动的稳态或
非稳态与所选定的 参考系有关。
11
2.1.2流动分类
(2)按空间变化特性分类: 一维流动、二维流动和三维流动
一维流动:流体速度只与一个坐 标自变量有关的流动;
2.2.2 欧拉法
或以矢量形式简洁表示为:
v vxi vy j vzk v( x, y, z, t )
同样地,在欧拉法中,流体的其他运动参数 或物理量(无论矢量或标量)均可表示为:
( x, y , z , t )
19
2.2.3 两种方法的关系
拉格朗日法和欧拉法两种不同表示方法在数 学上是可以互换的。两种方法之间的互换就 是拉格朗日变量和欧拉变量之间的数学变换。
( x , y , z , t ) t
只反映 在空间点(x,y,z) 处的时间变化特性 (即不同时刻经过该空间点的流体质点具有不 同的 ),不代表同一质点物理量的变化,所 以不是质点导数。
30
2.2.4 质点导数
( x , y , z , t ) t
反映了物理量在空间点(x,y,z)处的时间变化 特性,故可用来判定流场是否是稳态流场, 若是稳态的,则
对于稳态流动,则有:
v vx v y vz 0或 0 t t t t
对于任意流体物理量 流动条件下均有: ,稳态
10
2.1.2流动分类
流体流动的稳态或
非稳态与所选定的 参考系有关。
11
2.1.2流动分类
(2)按空间变化特性分类: 一维流动、二维流动和三维流动
一维流动:流体速度只与一个坐 标自变量有关的流动;
工程流体力学2
p p x, y, z
§2-2 欧拉平衡微分方程 等压面
一、流体的平衡微分方程式
微元的平行六面体 中心点为a(x,y,z) 静压强为p(x,y,z) 密度为
单位质量力为
f f xi f y j f zk
§2-2 欧拉平衡微分方程 等压面
列x方向的平衡方程式
px p y pz pn
边长 δx、δy、δz 静压强 密度 ρ 单位质量力在三个坐标轴上 的投影是fx 、fy、 fz px、py、pz和pn
§2-1 流体静压强及其特性
力在x方向的平衡方程为
px 1 2
y z p n S BCD cos p n ˆ x f x ,
k k ( )
为微压计系数,常常取0.2、0.3、 0.4、0.6、0.8
三、流体静压强的测量和液柱式测压计
常见的测压仪器有:液柱式测压计;金属式压强计(利用
金属的变形来测量压强);电测式仪表(将压强变化转化
为电信号的变化)等。
液柱式测压计的测量原理是以流体静力学基本方程 为依据的。
§2-3 重力场中流体的平衡
1、测压管
p pa
p p a gh
p pa
p e 2 gh 2 1 gh 1
§2-3 重力场中流体的平衡
等压面的两个基本条件:一是必须为水平面;
工程流体力学第二章
(2)在测压管内放置轻质而又和水 互不混掺的液体,重度 (g) (g) , 则有较大的h。
2.4 压强单位和测压仪器
2 水银测压计与U形测压计 适用范围:用于测定管道或容器中某点流体压强,通常被测 点压强较大。
B—B等压面:
pA 1gz1 p0 2 gz2 pA 2 gz2 1gz1
4)推广:已知某点的压强和两点间的深度差,即可求另外一
点的压强值。
p2 p1 gh
2.3 流体静力学的基本方程
• 2.3.3 静止液体中的等压面 • 由于等压面与质量力正交,在静止液体中只有重
力存在,因此,在静止液体中等压面必为水平面。
• 对于不连续的液体或者一个水平面穿过了两种不 同介质连续液体,则位于同一水平面上各点压强 并不一定相同,即水平面不一定是等压面。
2.3 流体静力学的基本方程
2.3.4 绝对压强、相对压强、真空度
a.绝对压强(absolute pressure):是以绝对真空状态下的压强
(绝对零压强)为基准计量的压强,用 pabs 表示, pabs 0 。
b. 相对压强(relative pressure):又称“表压强”,是以当地
工程大气压(at) 为基准计量的压强。用p表示p,
zC
△pn
Fx
X(
1 6
dxdydz)
Fy
2.4 压强单位和测压仪器
2 水银测压计与U形测压计 适用范围:用于测定管道或容器中某点流体压强,通常被测 点压强较大。
B—B等压面:
pA 1gz1 p0 2 gz2 pA 2 gz2 1gz1
4)推广:已知某点的压强和两点间的深度差,即可求另外一
点的压强值。
p2 p1 gh
2.3 流体静力学的基本方程
• 2.3.3 静止液体中的等压面 • 由于等压面与质量力正交,在静止液体中只有重
力存在,因此,在静止液体中等压面必为水平面。
• 对于不连续的液体或者一个水平面穿过了两种不 同介质连续液体,则位于同一水平面上各点压强 并不一定相同,即水平面不一定是等压面。
2.3 流体静力学的基本方程
2.3.4 绝对压强、相对压强、真空度
a.绝对压强(absolute pressure):是以绝对真空状态下的压强
(绝对零压强)为基准计量的压强,用 pabs 表示, pabs 0 。
b. 相对压强(relative pressure):又称“表压强”,是以当地
工程大气压(at) 为基准计量的压强。用p表示p,
zC
△pn
Fx
X(
1 6
dxdydz)
Fy
工程流体力学(2)
适用范围:测压管适用于测量较小 的压强,但不适合测真空。
用等压面原理计算:
A点压强可表示为:
pa
h
pAabs pa gh
或
pA gh
A
如果被测点A的压强很小,为了提高测量 精度,增大测压管标尺读数,常采用以下 两种方法:
二、水银测压计与U形测压计
适用范围:用于测定管 道或容器中某点流体压 强,通常被测点压强较 大。 取 o-o 等压面:
pa
1
A h1 o
h2 o
2
pAabs 1gh1 pa 2 gh2
或
pA 2 gh2 1 gh1
若 2
1, pA 2 gh2
三、压差计
压差计
水银压差计:用于测高压差 空气压差计:用于测中、低压差
油压差计:用于测很小的压差
适用范围:测定液体中两点的压强差或 测压管水头差。
二、曲面上的流体静压力
Az
z
o x
h
Fx Ax
Fz
a
E
F b
dFx
dF F
dFz
E
(dA)x
(dA)z
作用在曲面上各点的流体静压力都垂直于 容器壁面,因此各点作用力的方向不同, 是一空间汇交力系。
讨论如图所示1/4圆柱面,在其上取一微元 面积 EF,作用在微元面积上的合力为dF, 由于是二向曲面,可将作用力分解成两个 方向分别积分,再求合力。 z
汽车工程流体力学(02流体力学基本方程)
http://shaox-laoyang.blog.sohu.com/63380720.html
2. 流体运动的基本概念
六、过流断面(Cross section)
流束上与流线正交的横断面称为过流断面。 过流断面 过流断面
A
B
流线相互平行时,过流断面是平面; 流线相互不平行,过流断面为曲面。
2. 流体运动的基本概念
2. 流体运动的基本概念
三、流线(Stream line)和迹线(Path line)-1
(1)流线的定义表示某一瞬时流体各质点流动趋势的曲线,曲线 上任一点的切线方向与该点的流速方向重合。
描述流场中不同空间质点在 同一时刻的运动情况。
流谱流线
http://shuilixue.zjwchc.com/read.asp?id=208
七、湿周,水力半径和当量直径
湿周: 流体同固体边界接触部分的周长。用X表示(前提是这 一断面为过流断面)。 水力半径: 过流断面面积A与湿周之比。用R表示。
当量直径: 水力半径的4倍。用de表示。
A R x
A de 4 x
2. 流体运动的基本概念
八、流量和断面平均流速-1
1.流量(flow rate) 单位时间内通过某一过流断面流体的体积称为体积流量Q, 单位(m3/s)。
3. 连续性方程(Continuity equation)
工程流体力学第二章
其中,fx、fy、fz为单位质量流体受到的体积力在x、y、 z方向的分量。
3 流体静压强的特点 (1)特点一 :流体静压强引起的作用力总是垂直于作用面, 且指向作用面的内法线方向。
b
pd
A
a
pd
A
(2)特点二:流体内部一点的流体静压强在各方向相等, 即静压强为标量。
取微元体、受力到如图
由于流体处于静止:
在等压面上:
dp=fxdx+fzdz=-adx所gd以z有=0: ax+gz=cont
可见等压面为一簇斜率为-a/g的平面。
自由液面方程:ax +gzs=0
压强分布:
p
p0
g(
a g
x
z)
p0
g ( zs
z)
p0
gh
式中h:液面下的淹没深度,可见p也正比于h。
p0
z
A
x
zs a
h
与绝对静止情况的比较
Py
A X
Z C
dz o dx
Px
Pn
dy
y
B
Pz
三维微元体
二、流体平衡微分方程 1 欧拉平衡方程 1755年 Euler
z(铅垂方向)
d y
( p p dx )dydz x 2
y
x
d x fz fy
3 流体静压强的特点 (1)特点一 :流体静压强引起的作用力总是垂直于作用面, 且指向作用面的内法线方向。
b
pd
A
a
pd
A
(2)特点二:流体内部一点的流体静压强在各方向相等, 即静压强为标量。
取微元体、受力到如图
由于流体处于静止:
在等压面上:
dp=fxdx+fzdz=-adx所gd以z有=0: ax+gz=cont
可见等压面为一簇斜率为-a/g的平面。
自由液面方程:ax +gzs=0
压强分布:
p
p0
g(
a g
x
z)
p0
g ( zs
z)
p0
gh
式中h:液面下的淹没深度,可见p也正比于h。
p0
z
A
x
zs a
h
与绝对静止情况的比较
Py
A X
Z C
dz o dx
Px
Pn
dy
y
B
Pz
三维微元体
二、流体平衡微分方程 1 欧拉平衡方程 1755年 Euler
z(铅垂方向)
d y
( p p dx )dydz x 2
y
x
d x fz fy
工程流体力学 第二章 流体静力学201012
2.欧拉微分方程的积分(压强差公式) 2.欧拉微分方程的积分(压强差公式) 欧拉微分方程的积分
1 ∂p X − ρ ∂x = 0 1 ∂p =0 Y − ρ ∂y 1 ∂p =0 Z − ρ ∂z
(1) (2) (3)
物理意义: 物理意义:流体 静压强的增量决 定于质量力
z g p0
2
⇒
dp = ρ(Xdx +Ydy + Zdz)
dp = −ρgdz
p2
p1
1
⇒
dp dz + =0 ρg
z1
z2
积分得: 积分得:
p z+ =C ρg
o
p p z1 + 1 = z2 + 2 ρg ρg
基准面
x
2.物理意义 2.物理意义
z+ p =C ρg
总 势 能
3.几何意义 3.几何意义
Y = ω 2 r sin α = ω 2 y Z = −g
z ω
1.等压面方程 1.等压面方程
dp = ω 2 xdx + ω 2 ydy − gdz = 0
⇓ 积分
ω 2 x2
2 +
p0
o
m
h z
zs y
ω 2 y2
2
wenku.baidu.com
《工程流体力学》 Engineering fluid mechanics
du dy
p5(1-2-7)
由此可见内摩擦力T 的大小:
1)与两流层间的速度差(相对速度)du成正比,
第一章
和流层间距离dy成反比;
2)与流层的接触面积A的大小成正比; 3)与流体的种类有关; 4)与流体的压力大小无关。
T A
du dy
说明:流体的切应力与剪切变形速率或角变形率成正比。 注意:固体的切应力与角变形的大小成正比。
干空气在温度为290K,压强为760mmHg时,
第一章Baidu Nhomakorabea
汞的密度和容重: ρHg=13595kg/m3; γHg=133326 N/m3;
ρa=1.2kg/m3; γa =11.77 N/m3;
(增加内容) 液体的比重 比重(Specific Gravity):是指液体密度与标准纯水的密度之比; G sG 气体的比容 比容(Specific Volume):指单位气体质量所具有的体积。
关于粘滞系数μ(又称动力粘度,动力粘性系数):
第一章
1) μ的物理意义; μ值的大小表征粘滞性的强弱。(du/dy=1,τ= μ) 当流体静止时 ,du/dy=0,则 τ= 0 有时也用运动粘滞系数来ν描述,即:
实际工程1
实际工程2
流体力学运用
古老的提水工具-水车
都江堰
工程流体力学第二章
测量压差 U形管测压计还可用来测量流体的压强差
p p A pB 2 hg 1 gh2 1 gh1 2 1 h
倾斜式微压计
p2 p1
h2 l A1 A2
工作液体一般采用 蒸馏水或者酒精
h1 l sin
两个容器中流体的密度 1
U形管中工作液体的密度 2
p 22638 e
z 11000 6344
将重力场中单位质量力分量及温度表达式,代入压强差公式,得 对流层中压强和高度的关系 dp gdz p RT0 z 积分得
p g z ln ln1 p0 R T0
去掉对数得
z p p0 1 T 0
h
gh
该式还表明:均质不可压缩的重力流体处于平衡状态时,自由液面上的 压强对内部任意点上的影响是相同的,即施加与自由液面上的压强,将 以同样的大小传递到液体内部任意点上—帕斯卡原理
重力场中流体的平衡
◆
可压缩流体中压强的变化
等温过程,气体的密度
p RT
重力场中单位质量力分量为 代入压差公式,得
g R
海平面上
重力场中流体的平衡
T0 288.15K p0 101325 Pa
代入得
z p 1013251 44331
工程流体力学:第二章 流体力学基本方程
由于流线不能相交, 只能相切,所以流体 不能穿过流管流进或 流出。就象真实的管子一样。
2020年12月7日 21
2.流束——流管内的全部流体称为流束。 3.微小流束——截面无穷小的流束。 4.总流——无限多微小流束的总和。
例 管道内、渠道内的流动流体可以被当成是一个总流。
2020年12月7日 22
加速度:
u 2 x
ax t
t 2
ax
v t
2 y t 2
w 2 z
az
t
t 2
由于流体质点的运动轨迹非常复杂,而实用上也 无须知道个别质点的运动情况,所以除少数情况外, 工程流体力学中很少采用拉格朗日法。
2020年12月7日 6
2.欧拉(Euler)法
——空间—时间描述法
基本思想:考察空间每一点上的物理量及其变化。
(x, y, z,t)
v 0 t p 0 t
0
t
2020年12月7日 14
二、迹线 (path line)
❖ 迹线:流体质点的运动轨迹曲线
❖ Lagrange法:迹线方程
r xa,b,c,ti ya,b,c,tj za,b,c,tk
dr vdt
dx
ux, y,
z,t
dy
vx, y,
u u u u
ax
t
u
x
2020年12月7日 21
2.流束——流管内的全部流体称为流束。 3.微小流束——截面无穷小的流束。 4.总流——无限多微小流束的总和。
例 管道内、渠道内的流动流体可以被当成是一个总流。
2020年12月7日 22
加速度:
u 2 x
ax t
t 2
ax
v t
2 y t 2
w 2 z
az
t
t 2
由于流体质点的运动轨迹非常复杂,而实用上也 无须知道个别质点的运动情况,所以除少数情况外, 工程流体力学中很少采用拉格朗日法。
2020年12月7日 6
2.欧拉(Euler)法
——空间—时间描述法
基本思想:考察空间每一点上的物理量及其变化。
(x, y, z,t)
v 0 t p 0 t
0
t
2020年12月7日 14
二、迹线 (path line)
❖ 迹线:流体质点的运动轨迹曲线
❖ Lagrange法:迹线方程
r xa,b,c,ti ya,b,c,tj za,b,c,tk
dr vdt
dx
ux, y,
z,t
dy
vx, y,
u u u u
ax
t
u
x
工程流体力学02
p
也称 为压强势能, 它可通过将流体静力 学方程式应用于图中 a,b二点得到:
gz p p
p
( z h p )g 0
hp g
即单位质量流体的压 强势能与一段液柱高 度相当,故又称它为 压强高度或压强水头。
3.静水头(总势能)
位臵水头+压强水头=静水头 p 位势能+压强势能=总势能 ( gz ) ∴流体静力学基本方程式的意义:在静止的不可压缩 重力流体中,任意点的单位质量流体的总势能保持不 变。 即:它们的静水头的连线为平行于基准的水平 线。称静水头线。
三 .流体静压强
当流体处于静止或相对静止时的流体压强称为 流体静压强。流体静压强有两个重要特性。
特性一:流体静压强方向沿作用面的内法线方向。
∵流体受任何微小剪切力作用都要连续变形,流 体静止,没有剪切力;
流体受任何拉力作用也将产生流动,流体静止, 没有拉力。
∴静止状态,没有剪切力,没有拉力,只有沿作 用面内法线方向的压强作用。
质量力的特点是,它们只与分离体内的相 应物理量(如质量、电荷等)有关,而与 它周围的元素无关。 如果用 f 表示作用在单位质量流体上 的 f f xi f y j f z k 质量力,则y、f z f x、f 式中: 分别为在三个坐标轴上的 分量。 i , j, k 分别为三个直角坐标轴的单位矢 量。
也称 为压强势能, 它可通过将流体静力 学方程式应用于图中 a,b二点得到:
gz p p
p
( z h p )g 0
hp g
即单位质量流体的压 强势能与一段液柱高 度相当,故又称它为 压强高度或压强水头。
3.静水头(总势能)
位臵水头+压强水头=静水头 p 位势能+压强势能=总势能 ( gz ) ∴流体静力学基本方程式的意义:在静止的不可压缩 重力流体中,任意点的单位质量流体的总势能保持不 变。 即:它们的静水头的连线为平行于基准的水平 线。称静水头线。
三 .流体静压强
当流体处于静止或相对静止时的流体压强称为 流体静压强。流体静压强有两个重要特性。
特性一:流体静压强方向沿作用面的内法线方向。
∵流体受任何微小剪切力作用都要连续变形,流 体静止,没有剪切力;
流体受任何拉力作用也将产生流动,流体静止, 没有拉力。
∴静止状态,没有剪切力,没有拉力,只有沿作 用面内法线方向的压强作用。
质量力的特点是,它们只与分离体内的相 应物理量(如质量、电荷等)有关,而与 它周围的元素无关。 如果用 f 表示作用在单位质量流体上 的 f f xi f y j f z k 质量力,则y、f z f x、f 式中: 分别为在三个坐标轴上的 分量。 i , j, k 分别为三个直角坐标轴的单位矢 量。
工程流体力学第二版答案
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工程流体力学
第二章流体静力学
2-1(一密闭盛水容器如图所示,U形测压计液面高于容器内液面h=1.5m,求容器液面的相对压强。
[解] ?p,p,,gh0a
p,p,p,,gh,1000,9.807,1.5,14.7kPae0a
2-2(密闭水箱,压力表测得压强为4900Pa。压力表中心比A点高0.5m,A点在液面下1.5m。求液面的绝对压强和相对压
强。
[解] p,p,0.5,gA表
p,p,1.5,g,p,,g,4900,1000,9.8,,4900Pa0A表
, p,p,p,,4900,98000,93100Pa00a
2-3(多管水银测压计用来测水箱中的表面压强。图中高程的单位为m。试求水面的绝对压强p。 abs
[解] p,,g(3.0,1.4),,g(2.5,1.4),,g(2.5,1.2),p,,g(2.3,1.2) 0a汞汞水水
p,1.6,g,1.1,g,1.3,g,p,1.1,g 0a汞汞水水
33p,p,2.2,g,2.9,g,98000,2.2,13.6,10,9.8,2.9,10,9.8,362.8kPa a 汞水0
2 2-4( 水管A、B两点高差h=0.2m,U形压差计中水银液面高差h=0.2m。试求
A、B两点的压强差。(22.736N,m)12
[解] ?p,,g(h,h),p,,ghA12B2水水银
33 ?p,p,,gh,,g(h,h),13.6,10,9.8,0.2,10,9.8,(0.2,
0.2),22736PaAB水银水212
2-5(水车的水箱长3m,高1.8m,盛水深1.2m,以等加速度向前平驶,为使水不溢出,加速度a的允许值是多少,
工程流体力学第二章
A
d2
4
p A G 15
15 d2
C
pA
D
4
p
15598(Pa)
15598
[例题4]如下图所示,用双U形管测压计测量A、B两点的压差。
已知:
h1 600mm, h 2 250mm, h 3 200mm, h 4 300mm,
h 5 500mm, 1 1000kg / m3 , 2 772.7kg / m3 , 3 13.6 103 kg / m3 .
重力流体的压强势能
一定的流体静压强代表使液 柱上升一定高度的势能。
P z C点的总势能: g ;
A点的总势能:z h 0;
p h 根据静压强基本方程有: g
可见可以用液柱高度表示单位 重力流体所具有的能量。
(2)静压强基本方程的几何意义
单位重力流体所具有的能量也可以用液柱高 度来表示,并称水头。 静水头线
相加,移项得: f x dx f y dy f z dz 1 ( p dx p dy p dz )
x
1 y z f x dx f y dy f z dz
dp
2.2.3 等压面
1、流体中压强相等的点组成的面叫等压面。
方程: f x dx f y dy f z dz 0
练习题
d2
4
p A G 15
15 d2
C
pA
D
4
p
15598(Pa)
15598
[例题4]如下图所示,用双U形管测压计测量A、B两点的压差。
已知:
h1 600mm, h 2 250mm, h 3 200mm, h 4 300mm,
h 5 500mm, 1 1000kg / m3 , 2 772.7kg / m3 , 3 13.6 103 kg / m3 .
重力流体的压强势能
一定的流体静压强代表使液 柱上升一定高度的势能。
P z C点的总势能: g ;
A点的总势能:z h 0;
p h 根据静压强基本方程有: g
可见可以用液柱高度表示单位 重力流体所具有的能量。
(2)静压强基本方程的几何意义
单位重力流体所具有的能量也可以用液柱高 度来表示,并称水头。 静水头线
相加,移项得: f x dx f y dy f z dz 1 ( p dx p dy p dz )
x
1 y z f x dx f y dy f z dz
dp
2.2.3 等压面
1、流体中压强相等的点组成的面叫等压面。
方程: f x dx f y dy f z dz 0
练习题
工程流体力学
(1)总压力
P P0 P ' 0 ghc A 1000*9.8* 3 * 3 *1 8.82*104 N
2 sin 30
(2)总压力作用点
yD
yD
2 3
H sin 30
4m
(3)求F
F * hctan30
P
*
(
yD
h sin 30
)
F 8.82 *104 * (4 2) 9.17 *105 N 1* 3 / 3
( p0 gzc ) Ax
2.求水平分力Px
(2)计算步骤
A:确定曲面壁在yz面上的投影形状,大小.
B:针对平面壁Ax,按平面壁的方法求出Px
Px ( p0 gzc ) Ax C:求平面壁Ax上的压力中心.
zD'
zc
Ic zc Ax
Ic
zD
zc
zc Ax 1 P0 / P '
工程流体力学(第四次课)
第二章 流体静力学
§2-7 静止液体作用于固体壁上的总压力
二.静止液体作用在曲面壁上的总压力与压力中心
习题课
§2-7 静止液体作用于固体壁上的总压力
二.液体作用在曲面壁上的总压力和压力中心
1.问题描述与研究方法
P P0 P ' 0 ghc A 1000*9.8* 3 * 3 *1 8.82*104 N
2 sin 30
(2)总压力作用点
yD
yD
2 3
H sin 30
4m
(3)求F
F * hctan30
P
*
(
yD
h sin 30
)
F 8.82 *104 * (4 2) 9.17 *105 N 1* 3 / 3
( p0 gzc ) Ax
2.求水平分力Px
(2)计算步骤
A:确定曲面壁在yz面上的投影形状,大小.
B:针对平面壁Ax,按平面壁的方法求出Px
Px ( p0 gzc ) Ax C:求平面壁Ax上的压力中心.
zD'
zc
Ic zc Ax
Ic
zD
zc
zc Ax 1 P0 / P '
工程流体力学(第四次课)
第二章 流体静力学
§2-7 静止液体作用于固体壁上的总压力
二.静止液体作用在曲面壁上的总压力与压力中心
习题课
§2-7 静止液体作用于固体壁上的总压力
二.液体作用在曲面壁上的总压力和压力中心
1.问题描述与研究方法
《工程流体力学》第二章 流体静力学
(3) 连通器中:互不相混的两种液体, g1> g2
两容器自由液面上压强:相等, 则装有较重液体自由液面高度:较低,即 h1<h2。
(4)重力作用下满足等压面的条件: (a) 同种液体 (b) 连通 (c) 在同一水平面上
第四节 流体的相对平衡 以流体平衡微分方程式为基础,讨论质量力(重力、牵连 惯性力)同时作用下的液体平衡规律,这时,液体相对地 球虽是运动的,但液体质点之间,质点与器壁之间没有相 对运动——这种运动,称为相对平衡。
由自由面求任一点A的相对压强: (1)求出该点在液面下深度: (2)由水静力学方程:
可知与前相同
例a. 根据旋转容器液面高度的变化来测定旋转角速度。
已知:h,Ho,R,求:w
利用旋转前后容器内液体体积保持不变的关系。
旋转前:水深h,水平虚线,
液体体积 pR2h;
旋转后:液面中心处即最低点高度Ho,抛物线。
结论: 等压面必和质量力正交。
比如:静止流体中,质量力只有重力,重力垂直向下, 所以:等压面就是水平的。
第三节 重力作用下流体内部的压强 一、均匀液体: 容器:开口
液体密度:r
容器和液体:静止 流体所受质量力:重力 单位质量力:
X=0, Y=0, Z= -g
代入式 dp =r (Xdx+Ydy+Zdz) = -rgdz = -gdz 积分上式得:p = -gz + c
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The n results show that the pressures are independent of direction n because n is arbitrary.
Hence the pressure at a point on a static fluid is the
same in all directions.
dp = 0
fxdx + f ydy + fzdz = 0
Important character of equipressure surface:
f = fxi + fy j + fxk dr = dxi + dyj + dzk
Kinescope Cartoon
f ⋅ dr = 0
mass force of any point on the equipressure surface in equilibrium fluid is perpendicular to the equipressure surface.
−
∂π
∂z
2.2.4 Equipressure Surface
dp = ρ( fx dx + f y dy + fz dz)
Equipressure Surface is a surface that the pressure of every point in
liquid is equal. Common equipressure surfaces are free liquid surface and interface of two unmixed fluids in equilibrium.
p = lim Fn A→ 0 A
Unit: Pa or N/m2
2.2.1 Characteristic
1ǃdirection
Negative √
Normal
Force
Positive--Pulling
Shearing
There is only compressive stress (or pressure ) in a fluid at rest , and the direction of pressure is the same as the direction of inward normal line of acting point . Fluid at rest cannot bear pulling force because of the trends to flow.
−
ρ1
∂p ∂y
=
0
fz
−
ρ1
∂p ∂z
=
0
˄or˅
f − ρ1 gradp = 0
Physical Meaning:
For the fluid in equilibrium, surface force components per mass fluid are equal to mass
force components per mass fluid. Pressure variation rate in axes directions
z
dz
%
•$
&
dx dy
y
x
2.2 Differential Equations of a Fluid in Equilibrium
Consider
force components in y direction˖
f百度文库
(x0
+ ∆x)
=
f
(x0 ) +
f
'(x)∆x +
f
''(x) (∆x)2
˄
∂p ∂x
,
∂p ∂y
,
∂p ∂z
) are equal to mass force components per unit volume in axes directions
˄ρfx, ρfy, ρfz) respectively.
2.2 Differential Equations of a Fluid in Equilibrium
2.2 Differential Equation of Fluid Equilibrium 2.3 Pressure Distribution in the Static Fluid 2.4 Pressure Mearurements 2.5 Fluid in Relative Equilibrium Fluid. 2.6 Fluid Static Force on Plane and Curved Area
condition:
Equilibrium and relative equilibrium Compressible and incompressible flow
2.2 Differential Equations of a Fluid in Equilibrium
fx
−
ρ1
∂p ∂x
=
0
fy
2.2.2 Pressure Difference Equation ( General Differential Equations of a Fluid in
Equilibrium)
Ĩp = p(x,y,z)
fx
−
ρ1
∂p ∂x
=
0
fy
−
ρ1
∂p ∂y
=
0
fz
−
ρ1
∂p ∂z
=
0
ħ
the
total
dz
%
•$
&
dx dy
y
(p−
∂p ∂y
dy 2
)dxdz
−(p
+
∂p ∂y
dy 2
)dxdz
+
f y ρdxdydz
=
0
2.2 Differential Equations of a Fluid in Equilibrium
(p
−
∂p ∂y
dy 2
)dxdz
−(p+
∂p ∂y
dy 2
Mass forces˖
f
x
⋅
ρ
1 6
dxdydz
,
z A
px
dz
pn
py
0 dy dx
pz B x
C y
f
y
⋅
ρ
1 6
dxdydz
,
fz
⋅
ρ
1 6
dxdydz
(3) Equation of fluid in equilibrium
Consider force components in x direction:
Equilibrium (a=0) relative equilibrium ( a = 0)
Characteristic of Fluid at rest
u=0
du=0
τ = µ du = 0
dy
Contents
2.1 Statical pressure intensity and its characteristic
)dxdz
+
f y ρdxdydz
=
0
fy
−
ρ1
∂p ∂y
=
0
Differential Equations of a Fluid in Equilibrium˄Euler Equilibrium Equations˅˖
fx
−
ρ1
∂p ∂x
=
0
fy
−
ρ1
∂p ∂y
=
0
fz
−
ρ1
∂p ∂z
=
0
˄or˅
f − ρ1 gradp = 0
2
+⋅⋅⋅
Surface forces:
left:
pB
=
p−
∂p ∂y
dy 2
(
p
−
∂p ∂y
dy 2
)dxdz
right:
pC
=
p+
∂p ∂y
dy 2
−(
p
+
∂p ∂y
dy 2
)dxdz
z
Mass forces˖
ρ f ydxdydz
There is Fy=0 in y direction because the element is in equilibrium : x
If the density is a constant:
d ( p ρ ) = fxdx + f y dy + fzdz
Define a force potential function:
p
ρ
=
−π
d
p
ρ
=
d
(−π
)
=
−
∂π
∂x
dx
−
∂π
∂y
dy
−
∂π
∂y
dz
fx
=
−
∂π
∂x
fy
=
−
∂π
∂y
fz
=
differential
of
pressure
is:
dp
=
∂p ∂x
dx
+
∂p ∂y
dy
+
∂p ∂z
dz
Multiply every equation in equation group (1) with dx,dy,dz
respectively, then add them:
f x dx
+
f ydy
2ǃmagnitude
The pressure at a point in a fluid at rest is the same in all directions. It has nothing to do with the normal direction of the acting surface.
px = py = pz = pn
z A
px
dz
pn
py
0 dy dx
pz B x
C y
(1) Select a triangular prism element OABC, dx, dy, dz
px, py, pz, pn are pressure intensity acted on the respective surface. n is normal direction of inclined surface ABC.
2.1 Statical pressure intensity and its characteristic
2.2.1 Definition of statical pressure intensity
Normal force acting over per unit area of a static fluid
+
f z dz
=
ρ1
∂p ( ∂x
dx +
∂p ∂y
dy
+
∂p ∂z
dz)
dp = ρ( fxdx + f ydy + fzdz)
2.2 Differential Equations of a Fluid in Equilibrium
2.2.3 Force Potential Function dp = ρ( fxdx + f y dy + fzdz)
p = p (x, y, z)
2.2 Differential Equation of Fluid Equilibrium
1 Differential Equations of a Fluid in Equilibrium ------Euler Equilibrium Equations
2 Pressure Difference Equation 3 Force Potential Function 2 Surface of Equal Pressure
−
pn
⋅
1 2
dydz
+
fx
⋅ρ
1 dxdydz 6
=
0
px
−
pn
+
fx
⋅ρ
1 dx 3
=
0
0 dy dx
pz B x
C y
When the element shrinks to a point o , dx→0ˈthus
Similarly˖
px = pn
px = py = pz = pn
Chapter Two Fluid Statics(⌕ԧ䴭ᄺ˅
What is Fluid Statics
General Rules of fluid at rest, and their engineering application.
fluid at rest
fluid in equilibrium
2.2 Differential Equation of Fluid Equilibrium
2.2.1 Differential Equations of a Fluid in Equilibrium ------Euler Equilibrium Equations
Consider the six surfaces of infinitesimal element in equilibrium fluid. Its sides are dx,dy,dz. Assume the pressure at the center of the element is p(x,y,z)=p.
The surface pressure:
px
⋅
1 2
dydz
,
py
⋅
1 2
dxdz
,
pz
⋅
1 2
dxdy
,
pn ⋅ dA
(2) Force analysis:
Surface forces:
OAC: OAB: OBC: ABC:
px
⋅
1 2
dydz
py
⋅
1 2
dxdz
pz
⋅
1 2
dxdy
pn ⋅ dA
F =0
px
⋅
1 2
dydz
−
pn
⋅ dAcos(n, x) +
fx
⋅ρ
1 dxdydz 6
=
0
px
⋅ 1 dydz 2
−
pn
⋅ dAcos(n, x) +
fx
⋅ρ
1 dxdydz 6
=
0
And:
dAcos(n, x) = 1 dydz 2
z A
dz py
px pn
So:
px
⋅ 1 dydz 2