工程流体力学第2章 流体静力学
工程流体力学第2章流体静力学
① 沿任意方向 ② 沿外法线方向
有切向分力 流体受拉力
都将破坏流体平衡。
这与静止前提不符，故假设不成立，则原命题成立。
①
②
4
第2章 流体静力学
特性二、静止流体中任何一点上各个方向的静压力大小相等，与作用面方位无关。
证明：采用微元体分析法 ① 取微单元体
在静止流体中，在O点附近取出各边长分别 为dx、dy、dz的微小四面体OABC。相应坐标 轴为x、y、z。
第2章 流体静力学
流体静力学：研究流体在静止状态下的平衡规律及其应用。 静止：流体质点相对于参考系没有运动，质点之间也没有相对运动。 静止状态包括两种情况： 1、绝对静止：流体整体对地球没有相对运动。
2、相对静止：流体整体对地球有运动，但流体各质点之间没有相对运动。
举例：
绝对静止
等加速水平直线运动 等角速定轴转动
2
第2章 流体静力学
§2.1 流体静压力及其特性
1、静压力的概念
（1）静压力：静止流体作用在单位面积上的压力，称为静压力，或静压强。记作“p”
一点的静压力表示方法：
设静止流体中某一点m，围绕该点取一微小作用面积A，其上压力为P，则： 平均静压力： p P
A
m点的静压力：p lim P
单位：
A0 A
m
国际单位：Pa
物理单位：dyn/cm2
工程单位：kgf/m2
混合单位：1大气压（工程大气压） = 1kgf/cm2
（2）总压力：作用在某一面积上的总静压力，称为总压力。记作“P”
单位：N
3
第2章 流体静力学
2、静压力的两个重要特性
特性一、静压力方向永远沿着作用面内法线方向。
工程流体力学2
§2-1 流体静压强及其特性
静压强：当流体处于平衡或者相对平衡状态时， 作用在流体单位面积上的力。
p lim Fn
A 0
A
pn
特性一：
流体静压强的作用方向沿着
作用面的内法线方向。
静止流体对容器的作用一定垂直于固体壁面。
§2-1 流体静压强及其特性
特性二：
静止流体中的任一点上，来自任意方向上的静压强都是相等的。
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
计。通常采用双U形管或三U形管测压计。
§2-3 重力场中流体的平衡
3. U形管差压计 用于测量两个容器或管 道流体中不同位置两点 的压强差。
p p A p B 2 gh 1 gh 2 1 gh 1 2 1 gh
§2-3 重力场中流体的平衡
§2-3 重力场中流体的平衡
水头：单位重量流体所具有的能量用液柱高度来表示。 静水头：位置水头和压强水头之和。
方程的几何意义：
在重力作用下，静止的不可压缩流体中各点的静水头都相等。
§2-3 重力场中流体的平衡
有自由液面的静压强公式： p0 p z z h g g
p p 0 gh
h 为任意点在自由液面下的深
度，即淹深。
流体内部的静压强包含两部分：
工程流体力学流体静力学
∂y 2
∂y 2
Y
−
1
ρ
∂p ∂y
=
0
流体平衡微分方程（即欧拉平衡方程）：
⎧ ⎪X ⎪
−
1
ρ
∂p ∂x
=
0
⎪ ⎨Y ⎪
−
1
ρ
∂p ∂y
=
0
⎪ ⎪Z ⎩
−
1
ρ
∂p ∂z
=
0
第二节 流体平衡微分方程
物理意义：
• 处于平衡状态的流体，单位质量流体所受的表面力分量与 质量力分量彼此相等（大小相等，方向相反）。
第三节 流体静力学的基本方程
二、压强的表示方法 (绝对压强、相对压强和真空度）
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
pA = ρgh = ρgl sinα
（2）在测压管内放置轻质而又和水 互不混掺的液体，重度 (ρg)′ < (ρg) ， 则有较大的h。
第四节 压强单位和测压计
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 + ρ1gz1 = p0 + ρ2 gz2 pA = ρ2 gz2 − ρ1gz1
第五节 静止液体作用在壁面上的总压力
解：作出矩形闸门上的压强分布图：底为受压面面积，高度 是各点的压强。
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 + ρgΔh
工程流体力学第二章
pxdydz pnds • sin dz 0
p y dxdz
pnds
•
cos
dz
1 2
dxdydz
g
0
所以：
px pn 0
故
py
pn
1 2
dyg
0
y b
pxdy
o
px pn py pn
pnds
G x a
p y dx
得证
微元体分析法的步骤： 1 取合适的微元体 2 受力分析 3 建立方程
F pcg A ghc A
y D
y C
J cx yA
c
常见几何形状的惯性矩（表2－2）
矩形 圆型
c
l
J cx
1 12
bl 3
b
cR
J cx
1 R4
4
¼圆
xc c yc
xc
yc
4R
3
J cx
(1 4
16
9 2
R4
) 4
例2-5 设矩形闸门的宽为6米，长10米，铰链到低水面的 距离为4米。按图示方式打开该闸门，求所需要的力 R。
z
p0
o
B
z
p0
o
B
R
(a)
pg
2
2r2
R
(b)
pg
2
2(r2
R2)
例2-4 设内装水银的U型管绕过D点的铅垂线等角速度旋 转，求旋转角速度和D点的压强。设水银密度为
13600kg/m3 且不计液面变化带来的影响。
ω
关键：
10cm 5cm
1 写出所有的体积力
20c m
z
12cm 2 根据压力差公式写出压强
工程流体力学课件2说课讲解
➢平衡有两种：
一种是流体对地球无相对运动，即重力场中 的流体的绝对平衡；
一种是流体对某物体（或参考坐标系）无相 对运动，亦称流体对该物体的相对平衡。
第一节 流体静压强及其特性 一. 流体静压强的定义
plimPdP A0A dA
单位：N/m2，Pa
作用在单位面积上的力
二、流体静压强的特性
反证 法
❖ 几何意义
z --- 流体距基准面的位置高度，称为位置水头
p --- 流体在压强p 作用下沿测压管上升的高度，
g
称为压强水头
z p g
--- 静压水头（或静力水头）
流体静力学基本方程的几何意义是：在重 力作用下同一平衡流体中各点的静力水头为一 常数，相应的静力水头线为一水平线。
❖ 测压管水头的含义
• 重力液体 • 静止液体 • 同一容器（连通） • 同一介质 • 局部范围内
p0 1水 2 A
pa B
3 油4
5
6
水银
一、流体静力学基本方程
2.能量形式的静力学基本方程
pgzC
z p C
g
——不可压缩流体 的 静力学基本方程 （能量形式）
p2
p0
g
2
p1 g
对静止容器内的液体中 的1、2两点有
z2
pxpypzpn
证明思 路
取研究对象 受力分析 导出关系式 得出结论
取研究对象
取一四面体OABC，三条边相 互垂直且与坐标重合，
受力分析
质量力
fx
1 6
dxdydz
fy
1 6
dxdydz
fz
1 6
dxdydz
px
1 2
工程流体力学 第二章 流体静力学201012
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
− gz = C
ω 2r 2
2
− gz = C
等压面是一簇绕z轴的旋转抛物面。 等压面是一簇绕z轴的旋转抛物面。 自由液面： 自由液面： x=0 z=0 C=0
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
o y
αr
y x ω2y ω2r
⇓
zs =
ω 2r 2
2g
x
ω2x
二、等角速旋转容器中液体的相对平衡
2. 静压强分布规律
dp = ρ (ω 2 xdx + ω 2 ydy − gdz )
z ω
⇓ 积分
p = ρ(
ω 2x2
2
+
ω 2 y2
2
− gz ) + C
p = ρg (
ω 2r 2
工程流体力学
§1.1 流体的定义
一、流体特征（续）
液体与气体的区别 液体的流动性小于气体； 液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积。
流体的定义
流体是一种受任何微小的剪切力作用时，都 会产生连续变形的物质。 流动性是流体的主要特征。
§1.2 连续介质假说
微观：流体是由大量作无规则热运动的分子所组成， 分子间存有空隙，在空间上是不连续的。
在通常情况下，一个很小的体积内流体的分子数量极多；
例如，在标准状态下，1mm3体积内含有2.69×1016个气体分 子，分子之间在10-6s内碰撞1020次。
宏观：流体力学研究流体的宏观机械运动，研究的是 流体的宏观特性，即大量分子的平均统计特性。 结论：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无 数连续分布的流体微团组成的连续介质。
1686年牛顿（Newton,I.）发表了名著《自然哲学的数学原理》 对普通流体的黏性性状作了描述，即现代表达为黏性切应力 与速度梯度成正比—牛顿内摩擦定律。为了纪念牛顿，将黏 性切应力与速度梯度成正比的流体称为牛顿流体。 18世纪～ 19世纪，流体力学得到了较大的发展，成为独立的一门学科。 古典流体力学的奠基人是瑞士数学家伯努利(Bernoulli，D．) 和他的亲密朋友欧拉(Euler，L.)。1738年，伯努利推导出了 著名的伯努利方程，欧拉于17 55年建立了理想流体运动微分 方程，以后纳维(Navier,C .-L.-M.-H.)和斯托克斯(Stokes， G．G．)建立了黏性流体运动微分方程。拉格朗（Lagrange）、 拉普拉斯(Laplace)和高斯(Gosse)等人，将欧拉和伯努利所 开创的新兴的流体动力学推向完美的分析高度。但当时由于 理论的假设与实际不尽相符或数学上的求解困难，有很多疑 不能从理论上给予解决。
第二章 流体静力学
所以表面abcd的总压力为：( p
p dx )dxdy x 2
同理面aˊbˊcˊd ˊ的总压
p dx 力为： (p )dydz x 2
z
微团在X轴方向的表面
力和为：
(p p dx p dx )dydz ( p )dydz x 2 x 2
p
p dx x 2
位质量流体受到的质量力在水平面x轴和y轴的投影为零， 铅直方向z轴的投影为重力加速度g，根据
则有
dp g dz
dp ( f x dx f y dy f z dz)
积分得
p zc g
液体静止的基本方程
式中：g在本书中取值9.807m/s2；
z为测压处相对于边界条件(基准面)的高差。 c为常数，大小由边界条件确定。
若一个函数W(x,y,z)使质量力的投影等于这个函数的偏
导数，即
W fx x
fy
W y
fz
W z
则称函数W(x,y,z)为质量力势函数。 一个存在质量力势函数的力场，称为有势力场，相应的
质量力称为有势质量力，简称有势力。
等压面性质： • 等压面就是等势面； • 等压面与质量力垂直； •两种互不掺混液体的分界面也是等压面。
等压面:在静止流体内，由静压力相等的各点组成的面
自由面：静止液体和气体接触的面
水平面既是等压面也是自由面
液体静压强分布规律只适用静止、同种、连续液体
同一容器或同一连通器盛有多种不同密度的液体时，关键是找到等 压面
§2-4
液体的相对静止
辩证唯物主义:
①运动是普遍的、永恒的和无条件的，因而是绝
第二章 流体静力学
p p0 g z0 z p0 gh
这就是不可压缩流体的静压强分布规律。
• 公式说明一点上的流体静压强p是由两个独 立部分组成的。一部分是自由液面上的压 强 p0 ，一部分是单位截面上的液柱重力 。 • gh 静压强分布规律也可以用静压强分布图 表示。如图2-8
•
平衡流体互相之间没有相对运动，因 而流体粘性在平衡状态下无从显示，流体 静力学中的一切原理都适用于实际流体。 分析与实验结果完全一致。流体静力学是 工程流体力学中独立完整而又严密符合实
际的一部分内容，这里的理论不需要实验
修正。
§2-1 平衡流体上的作用力
从平衡流体中取体积为ΔV的任意微团(如图2-1） 作为分离体。作用在流体微团上的力可以分为两种：
F p ndA gh ndA g n hdA
A A A
•
计算壁面上的流体静压力时，式中 的静压强产一般只用计示压强即可，因 为壁面无论是全部或部分与液体接触， 它四面八方所受大气压的作用都是互相 平衡的。以大气压为零的计示压强计算， 则无需考虑未与液体接触的部分壁面上 的大气压作用，这样要简单得多。
一、任意空间壁面上的流体静压力
• 如图2-16所示，在与平衡液体相接触的空间 壁面A上任取一个微元面积Δ A，它的矢量式 为Δ A＝nΔ A ，或取极限时dA＝ ndA ，假定 它的淹没深度是h，则其计示压强 p gh ， 于是微元面积上的流体静压力为
dF p ndA
• 整个受压面积A上的流体静压力为
§ 2-4
静压强的计算与测量
一、静压强的计算标准 • 不可压缩平衡液体的自由液面如果与大气连通，则 公式(2-25)中的 p0 等于大气压强 pa ，于是
流体力学--第二章流体静力学
1 Py p y dxdz 2
1 P p dA Pz pz dydx 2 Y 设 X 、 、Z 分别为沿三个坐标轴方向上的单位
质量力，则沿三个方向上的质量力分别为：
1 1 1 Fx X dxdydz Fy Y dxdydz Fz Z dxdydz 6 6 6
Fx 0, p x
其中
1 dA cos(n, x) dydz 2 1 dA cos(n, y ) dzdx 2 1 dA cos(n, z ) dydx 2
px p y pz p
结论
由于斜平面ABC的方位是任意的，上式即证明 了在同一点处各个方向上的静压强值是相等 的。
pn
静压强
p
α
pt
图2－2
切向压强
假 设： 在静止流体中，流体静压强方向不与作用面 相垂直，与作用面的切线方向成α角 则存在
切向压强pt
法向压强pn
流体流动
与假设静止流体相矛盾
A
B
C
D
E
F
（2）静压强的各向等值性：静止流体内任意一点处 沿各个方向上的静压强大小相等，即
px p y pz p
dA
dAz
dAx
b
z
dA
微小面积上的微压力
dP ghdA
水平总压力
分解
dPx dp cos ghdA cos
dPz dp sin ghdA sin
Px dPx ghdA cos g hdAx ghC Ax
2 2
y
o
A g
x
南京理工大学工程流体力学基础 流体静力学
增量。
f 1 p 0
§2-2 欧拉平衡微分方程
等压面
等压面：流体中压强相等的点组成的面。
px, y, z const. dp 0
f dl fxdx f ydy fzdz 0
dp fxdx f ydy fzdz
压强差公式
重要性质：静止流体中，质量力垂直于等压面。
f 1 p 0
x
p p dx x 2
z
fx a
p p dx
o x 2
dx
y
§2-2 欧拉平衡微分方程
流体平衡微分方程
微元体在静压强和质量力的作用下平衡。 微元体上的力在x方向的平衡方程：
p
p x
dx dydz
2
p
p x
dx dydz 2
fx dxdydz 0
p p dx
化简：
fx
1
p x
0
同理：
由压强差公式
dp fxdx f ydy fzdz
dp gdz
dz dp 0
g
设不可压缩，积分 z p C
g
流体静力学 基本方程
对图中1、2点
z1
p1
g
z2
p2
g
适用条件：同一容器、同种不可 压缩重力流体。 §2-3 重力场中流体的平衡
流体静力学基本方程
物理意义
z p C
g
单位重量流体 单位重量流体 单位重量流体
第二章 流体静力学
第一节 流体静压强
流体静压强
流体平衡，则作用在流体上的应力只有法向应 力，而没有切向应力。流体作用面上负的法向 应力就是静压强。
pn
dF dA
pnn
§2-1 流体静压强
名师讲义【中国计量大学】工程流体力学第二章 流体静力学
用dx、dy、dz除以上式，并化简得
X 1 p 0 （1） x
同理
Y 1 p 0 （2） —欧拉平衡微分方程（2.4）
y
Z 1 p 0 （3）
z
意义：平衡流体所受的质量力分量等于表面力分量。该
方程用于可压、不可压流体，理想和黏性流体。是流体静 力学最基本的方程。
9
现代设计制造研究所
18
现代设计制造研究所
静止液体中的压强计算和等压面
等压面
1、在重力作用下，不可压缩静止流体中的等
高面为等压面； 2、自由表面。
p p0 gz0 z p0 gh
静压强分布
19
现代设计制造研究所
静止液体中的压强计算和等压面
习题1：水池中盛水如图。已知液面压强 p0 98.07kN / m2，
解:圆柱体底面上各点所受到的计示 压强为:
F mg 100 5.1 9.807
pe d 2 / 4 0.7854 (0.12)2 13263(Pa)
pa F
H h
pe g(h H )
1
H pe h 0.8524(m)
g
w 1
d
24
现代设计制造研究所
流体静压强的测量
1. 静压强的单位
物理意义：在重力作用下的连续均质不可压静止流体
中，各点单位重量流体的总势能保持不变(能量守恒)。
16
现代设计制造研究所
静止液体中的压强计算和等压面
p gz C
p gz p0
C由边界条件确定。如果假定在液
面上，Z=0，p=p0，则C=p0。
p p0 gz
如果选取h的坐标方向与z轴相反，则： p p0 gh
积分 p gz c
工程流体力学2-流体静力学
流体力学
2.7 作用在曲面上的液体总压力
实际工程中经常遇到受压面为曲面的情况，如
弧形闸门 拱堤堤面
贮水池壁面 水管管壁
U形渡槽，等
本节仅对工程中应用最多的二向曲面（即具有 平行母线的柱面）进行讨论。
p 表面力： pb dydz pc dydz dxdydz x
质量力：
f x dxdydz
据
流体力学
p F x 0 : f x d x d y d z d xdydz 0 x
2.1 流体平衡微分方程式
推导
p p dx dydz x
p0 h1
相对压强：
p0 abs pa 4900 g (h2 h1 ) 4900 1000 9.8 (0.5 1.5) 4900 Pa
A
绝对压强：
流体力学
p 0 abs 4900 p a 4900 98000 93100 Pa
故欧拉平衡微分方程可以写成全微分形式
dp ( f x dx f y dy f z dz )
通常作用在流体上的单位质量力是已知的，利用上式 便可求得流体静压强的分布规律。
流体力学
第二章 流体静力学
2.2 等压面
定义：在流场中，压强相等（dp=0）的各点组成的面。 微分方程：
由定义得：
流体力学
2.1 流体平衡微分方程式
推导
1 p dx dydz p 2 x
b
a p(x,y,z)
c
1 p dx dydz p 2 x
《工程流体力学》 杨树人 第2-4章 课件
目录
• 第2章 流体静力学 • 第3章 流体动力学基础 • 第4章 流体阻力和水头损失 • 第5章 量纲分析与相似原理
01
第2章 流体静力学
流体静力学基本概念
流体
流体是气体和液体的总称，具有流动性和可压缩 性。
静止流体
不发生宏观运动的流体。
平衡状态
流体处于静止状态时的受力平衡状态。
流体静力学基本方程
流体静力学基本方程
p + ρgh + p0 = 常数（适用于不可 压缩流体）。
p
流体压强；ρ：流体密度；g：重力加 速度；h：流体高度；p0：大气压强 。
静水压强分布及特性
静水压强
液体静止时对固体表面的压力。
静水压强特性
静水压强随深度增加而增大，在同一深度上，各方向静水压强相等 。
静水压强分布规律
在重力场中，静止液体内部压强随深度增加而线性增大。
02
第3章 流体动力学基 础
流体动力学基本概念
流体
在任何外力作用下都不能保持 其固有形状和体积的物质。
流体静力学
研究流体处于静止状态时的平 衡规律及其作用力的科学。
流体动力学
研究流体运动规律及其作用力 的科学。
牛顿流体
流体的应力与应变率成正比的 流体。
湍流阻力与水头损失
湍流阻力
当流体在管道中以湍流状态流动时，由于流体质点间的相互碰撞、混合，会产生较大的阻力。湍流阻 力和流速、管道长度、管道直径等因素有关。
水头损失
在湍流状态下，由于流体分子间的内摩擦力和流体质点间的相互碰撞、混合，使得流体机械能减小， 称为水头损失。水头损失与流速、管道长度、管道直径等因素有关。
水力学（工程流体力学）流体静力学要点总结
第二章 流体静力学•静水压强特性：（1）第一特性：静水压强的方向与作用面的内法线方向重合（2）第二特性：静止流体中某一点静水压强的大小与作用面的方位无关（只与深度位置有关）•流体平衡微分方程：⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫=∂∂⋅-=∂∂⋅-=∂∂⋅-010101z p Z y p Y x p X ρρρ流体处于平衡状态时，作用于流体上的质量力与压强递增率间的关系 用途：质量力已知时，用该式求静止流体内的压强分布规律)(Zdz Ydy Xdx dp ++=ρ dz zW dy y W dx x W dW ∂∂+∂∂+∂∂= 势函数；有势的力zW Z y W Y x W X ∂∂=∂∂=∂∂=；； dW dp ρ= 积分得：p W C ρ=+ 当某点压强0p 、力的势函数0W 已知时（即边界条件已知）得 00()p p W W ρ=+-•静水压强分布规律：〖一〗 'pC z C γγ+== 或 1212p p z z γγ+=+z ：单位重量流体具有的位能或位置水头；γp：单位重量流体具有的压能或压强水头； γp z +：单位重量流体具有的总势能或测压管水头（测压管液面相对于基准面的高度）；C p z =+γ: 表明静止流体中单位重量流体具有的总势能守恒或测压管水头为常数物理意义：静止液体中各点单位重量液体具有的总势能相等几何意义：静止液体中各点的测压管水头相等，测压管水头线是水平线从能量意义上来说：静止流体中各点的位置水头与压强水头之和都相等，或者静止流体中各点的测压管水头线为一水平线。
〖二〗边界条件：0z z =时，0p p =则0p p h γ=+•22/10132533.107601m N O mH mmHg atm ===（标准大气压）22/98070107361m N O mH mmHg at ===（工程大气压）•压强表示方法：绝对压强：绝对真空状态做为压强起始计算零点，以abs p 表示；相对压强：一个大气压做为压强起始计算零点，以p 表示；•等压面及其性质：①等压面与质量力正交②水平面是等压面的条件：由于等压面与质量力正交，静止流体中等压面是水平面。
流体第2章静力学
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； （2）流体虽然对地球有运动，但对盛装它的容器无相对运 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12.1 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）表面力图2.1 静止流体上的作用力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 ΔW=Δm•g 2）直线运动惯性力ΔF1=Δm•a 3）离心惯性力ΔFR=Δm•rω2 这些力的矢量和用ΔFm表示，则：ΔFm = Δm ⋅ a m = Δm( Xi + Yj + Zk )22.1.1 质量力如果微团极限缩为一点，即ΔV→0，则dFm = dm ⋅ a m = dm( Xi + Yj + Zk)式中： dFm为作用在流体质点上的质量力；（2.1）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、Z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。
工程流体力学-第二章
三、静压力
工程流体力学---第二章 流体静力学
在静止的流体中，不存在切应力。因此，流体中的表面力就是
沿受力面法线方向的正压力或法向力。
F p lim
A0 A
法向力 微元面积
静压力定义
上式中p就是垂直作用于流体单位面积上的力，即物理学中 的压强，称为流体的静压力，简称压力，用p表示，单位为牛 顿（N）。作用于整个面上的力称为总压力。
工程流体力学---第二章 流体静力学 四、流体静压力的两个重要特性
1. 流体静压强垂直于其作用面，其方向指向该作用面的内法线 方向。 （利用静止流体性质进行证明）
☆流体静止时只有法向力，没有切向力，静压力只能沿法线方向； ☆流体不能承受拉力，只能承受压力。
静压力惟一可能的方向就是内法线方向。
工程流体力学---第二章 流体静力学
微元体内流体所受质量力: dxdydz
说明：
微元体内流体所受质量力在x方向的分力: Xdxdydz （1）在流体力学
2. 静止流体中任意一点处流体静压强的大小与作用面的方位无
关，即同一点各方向的流体静压强均相等。
z
Pn
Px dz
Py
Px Py Pz Pn P
O
dx
dy
y
x
Pz
表明：静止流体中任意一点上的流体静压力，无论来自何方均相
等，或者说与作用方向无关。流体静压强不是矢量，而是标量，
仅是坐标的连续函数。即：p= p(x,y,z)，由此得静压强的全微分
☆流体静力时，流体质点之间没有相对运动，因此粘滞性在静止 流体中显现不出来。 ☆本章所得到的流体平衡规律对理想流体和实际流体均适用。
《工程流体力学》第二章 流体静力学
20 0 2340 615
各项物理意义：
容器：封闭
液体重度：g
自由液面压强：po 小孔： 器壁上距底部z处
小孔处压强：p = po+ gh
在o处与一根抽成真空的小管相通，液体进入小管，并迅
速上升到A点： p = gh’
h ——O、B两处单位重量流体位能差 h’ ——O、A两处单位重量流体位能差
代表一种能量，称为压力能
容器旋转：绕铅直轴，角速度w
容器旋转后，液体虽未流出，但压强发生了变化，
画出过边上小孔的等压线
虚线 —— 相对压强为 0
盖板各点承受的相对压强：
或真空度： 盖板上： 在轴心处，真空度 最大： 在边缘处，真空度 最小： 离心泵和风机就是利用这个原理，使 流体不断从叶轮中心吸入。
3. 流体静压强仅是空间位置和时间的标量函数，与所取 作用面的方向无关——各向同性 证：取一五面体
(1)表面力：作用静止(或相对静止)流体上无拉力和切力， 表面力只有压力，
在左面上：pydxdz 在底面上：pzdxdy 在斜面上：pndxds 在前面上：pxdydz/2 在后面上：pxdydz/2
液面上半径r处： 液体体积：
由此可测得w值。
速很高，液面上升过高， 溢出容器，容器为封闭的，只在中间留有一小口。
容器静止时：液面离盖板Dho 容器旋转时：液面中心下降到b
求：w
(1)求R’：
(2)静止时空出体积＝旋转时下凹体积
画出等压线
讨论： 1、AA`处压强？ 2、A`B处压强？ 3、容器底部压强？
外力场作用在流体微团上的非接触力，与流体质量(或 体积)成正比， 如地球吸引力、惯性力、电磁力等。 流体力学中一般只考虑地球吸引力，惯性力。 单位质量力：单位质量流体受到的质量力。
工程流体力学 第二章流体静力学
第二章 流体静力学
地球 惯性系 平衡或静止 非惯性系 相对平衡或相对静止
二、静压强的两个特性
1．静压强方向永远沿着作用面内法线方向（“内”—指向作用面；“法 线”—垂直作用面）。
❖ 证明：（反证法）如图，取静止流体中任意隔离体。设切割面上任一 点 m 处受力F为任意方向。则 F一定可分解为垂直于作用面的法向分 力 Fn 和平行于作用面的切向分力Fτ。
略去二阶以上高阶小量后，得：
p1
p
1 2
p x
dx
p2
p
1 2
p x
dx
3. 导出关系：
根据流体平衡的充要条件，静止流体所受的所有外力在各
个坐标轴方向上的投影之和为零，即 Fi 0 。以x方向为
例：
fx d x d y d z ( p 1 2 p x d x ) d y d z ( p 1 2 p x d x ) d y d z 0
若存在垂直于作用 面的法向作用力 Fn ，由流体不能 承受拉力的性质可 知：垂向作用力Fn 只能为压力。
F
Fn
Fτ
2 垂向作用Fn指向作用面。
m
图2-1 静止流体中的单元体
2．静止流体中任何一点上各个方向的静压强大小相等，与作用面方位无关。 即静压力各向等值。只是坐标点的连续可微函数。
一 般 流 体 力微 学元 证分 明析 思法 路
若存在平行于作用
面的切向作用力
Fτ ：流体在切向
F
力作用下必然发生
流动，这与流体静 止的前提条件相悖。
Fn
Fτ
m
1 静止流体不能承受剪切作用力Fτ
图2-1 静止流体中的单元体
二、静压强的两个特性
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第2章 流体静力学自测题
一、思考题
2.1 流体静压强有哪两个特性?
2.2 流体平衡微分方程的物理意义是什么？
2.3 什么是等压面？等压面有什么特性?
2.4 重力场中液体静压强的分布规律是什么?
2.5 静止液体中等压面为水平面的条件是什么?
2.6 相对静止液体的等压面是否为水平面？为什么?
2.7 什么是绝对压强、相对压强、真空度？它们之间有何关系？
2.8 压力表和开口测压计测得的压强是绝对压强还是相对压强绝？
2.9 盛有某种液体的敞口容器作自由落体运动时，容器壁面上的压强等于多少？
2.10 压力中心D 和受压平面形心C 的位置之间有什么关系？在什么情况下D 点和C 点重合？
2.11 如何确定作用在曲面上液体总压力水平分力和垂直分力的大小、方向和作用线的位置？
1.12 什么是压力体？如何确定压力体的范围和垂直分力的作用方向？
二、选择题
2.1相对压强的起算基准是 。
（C ）
（A ）绝对真空 （B ）1个标准大气压 （C ）当地大气压 （D ）液面压强
2.2 金属压力表的读值是 。
（C ）
（A ）绝对压强 （B ）绝对压强加当地大气压
（C ）相对压强 （D ）相对压强加当地大气压
2.3 某点的真空压强为65000Pa ，当地大气压为0.1MPa ，该点的绝对压强为 。
（C ）
（A ）65000 Pa （B ）55 000 Pa （C ）35 000 Pa （D ）165000 Pa
2.4 绝对压强ab p 与相对压强p 、真空压强v p 、当地大气压a p 之间的关系是 。
（C ）
（A ）v ab p p p += （B ）v ab p p p +=
（C ）ab a v p p p -= （D ）a v p p p +=
2.5 在封闭容器上装有U 形水银测压计，其中1、2、3点位于同一水平面上，其压强关系为 。
（C ）
（A ）p 1>p ２> p 3 （B ）p 1=p ２= p 3 （C ）p 1<p ２< p 3 （D ）p 2<p 1<p 3
习题.52图
习题.62
图
2.6用Ｕ形水银压差计测量水管内Ａ、Ｂ两点的压强差，水银面高度hp ＝10cm ，pA-pB 为 。
（B ）
（A ）13.33kPa （B ）12.35kPa （C ）9.8kPa （D ）6.4kPa
2.7在液体中潜体所受浮力的大小 。
（B ）
（A ）与潜体的密度成正比 （B ）与液体的密度成正比
（C ）与潜体的淹没深度成正比 （D ）与液体表面的压强成反比
2.8 静止流场中的压强分布规律 。
（D ）
（A ）仅适用于不可压缩流体 （B ）仅适用于理想流体
（C ）仅适用于粘性流体 （D ）既适用于理想流体，也适用于粘性流体
2.9 静水中斜置平面壁的形心淹深C h 与压力中心淹深D h 的关系为C h D h 。
（C ）
（A ）大于 （B ）等于 （C ）小于 （D ）无规律
1.10流体处于平衡状态的必要条件是 。
（C ）
（A ）流体无粘性 （B ）流体粘度大 （C ）质量力有势 （D ）流体正压。
2.11液体在重力场中作加速直线运动时，其自由面与 处处正交。
（C ）
（A ）重力 （B ）惯性力 （C ）重力和惯性力的合力 （D ）压力
2.12压力体内 。
（D ）
（A ）必定充满液体 （B ）肯定没有液体；
（C ）至少部分液体 （D ）可能有液体，也可能没有液体
三、计算题
2.1试决定图示装置中A 、B 两点间的压强差。
已知h 1=500mm ，h 2=200mm ，h 3=150mm ，h 4=250mm ，h 5=400mm ，酒精γ1=7 848N/m 3，水银γ2=133400 N/m3，水γ3=9810 N/m 3。
（55.419kPa ）
2.2如图所示，一液体转速计由直径1d 的中心圆筒和重为W 的活塞、以及两直径为2d 的有机玻璃管组成，玻璃管与转轴轴线的半径为R ，系统中盛有水银。
试求转动角速度ω与指针下降距离h 的关
系（00==h 时，ω）。
()()[]
22212/2/d d g R +ω
2.3如图所示，底面积为0.2m 0.2m b b ⨯=⨯的方口容器，自重G=40N ，静止时装水高度h=0.15m ，设容器在荷重W=200N 的作用下沿平面滑动，容器底与平面之间的摩擦因数f=0.3，试求保证水不能溢出的容器最小高度。
(0.207m)
2.4如图所示，一个有盖的圆柱形容器，底半径R=2m ，容器内充满水，顶盖上距中心为0r 处开一个小孔通大气。
容器绕其主轴作等角速度旋转。
试问当0r 为多少时，顶盖所受的水的总压力为零。
(2m)
2.5 矩形闸门AB 宽为1.0m ，左侧油深h1=1m ，水深h2=2m ，油的比重为0.795，闸门倾角α=60º，试求闸门上的液体总压力及作用点的位置。
(2.035m)
2.6水库的圆形泄水孔，直径D ＝1m ，门的形心点位于水深h ＝3m 处，门的倾角α＝600，门的下游
为大气压，门的顶端有铰固定，不计门重，求启门所必须的向上拉力F 。
kN F 24=
2.7一直径D=0.4m 的盛水容器悬于直径为D1=0.2m 的柱塞上。
容器自重G=490N ，a =0.3m 。
如不计容器与柱塞间的摩擦，试求：（1）为保持容器不致下落，容器内真空压强应为多大。
（2）柱塞浸没深度h 对计算结果有无影响。
(27.38kPa)
2.8容器底部圆孔用一锥形塞子塞住，如图H=4r ，h=3r ，若将重度为γ1的锥形塞提起需力多大（容器内液体的重度为γ）。
()13
125.0γγπ+=r F 2.9一长为20m ，宽10m ，深5m 的平底船，当它浮在淡水上时的吃水为3m ，又其重心在对称轴上距船底0.2m 的高度处。
试求该船的初稳心高及横倾8º时的复原力矩。
(3340.578N. m)
2.10一个均质圆柱体，高H ，底半径R ，圆柱体的材料密度为600kg/m3。
（1）将圆柱体直立地浮于水面，当R/H 大于多少时，浮体才是稳定的？(0.6928)
（2）将圆柱体横浮于水面，当R/H 小于多少时，浮体是稳定的？(0.506)
2.11一直径m d 2=的圆柱体，长度m l 1=，放置在0
60=α的斜面上，一侧有水，水深m h 1=。
求此圆柱体受的静水总压力。
kN P kN P z x 24,9.4==
2.12 圆弧形闸门AB ，宽度m b 4=，圆心角045，半径m R 2=，闸门转轴恰好与门顶的水面齐平，
求闸门受的静水总压力大小和方向。
kN P kN P z x 4.22,24.39==。