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1、1,重庆三峡学院土木工程学院,制作人 樊哲超,流体力学多媒体课件,2,第2章 流体静力学,学习要求：,1、理解和掌握静压强及其特性。,3、理解测压管水头、位置水头和压强水头的概念，理解等压面的概念。,2、熟练掌握流体静压强公式，熟练掌握点压强的计算方法，掌握压强的计算基准和表示方法，熟练掌握静压强分布图，掌握压强的量测方法。,4、熟练掌握计算作用于平面的液体总压力。,5、熟练掌握计算作用于曲面的液体总压力。,3,流体静力学着重研究流体在外力作用下处于平衡状态的规律及其在工程实际中的应用。 这里所指的静止包括绝对静止和相对静止两种。以地球作为惯性参考坐标系，当流体相对于惯性坐标系静止时，称流体处
2、于绝对静止状态；当流体相对于非惯性参考坐标系静止时，称流体处于相对静止状态。 流体处于静止或相对静止状态，两者都表现不出黏性作用，即切向应力都等于零。所以，流体静力学中所得的结论，无论对实际流体还是理想流体都是适用的。,4,2.1 流体静压强及其特性,一、静压强的定义,二、静压强的特性,1、垂直指向作用面,因为静水中， = 0，则p = pn,静止流体作用在每单位受压面积上的压力，称为静水压强。某点的静水压强表示为：,利用反证法进行可以证明,5,pn,pt,p,切向压强,静压强,法向压强,图2-1,6,图22 微元四面体受力分析,2.静止流体中任意一点流体压强的大小与作用面的方向无关，即任一点
3、上各方向的流体静压强都相同。,7,2.2 流体的平衡微分方程及其积分,一、流体平衡的微分方程,8,2.2 流体的平衡微分方程及其积分,一、流体平衡的微分方程,也称欧拉平衡微分方程,静止液体的平衡条件是单位质量力与其表面力相等。,二、流体的平衡微分方程的全微分形式,不可压缩液体在有势的质量力的作用下才能静止。,9,三、等压面及其特性,液体中由压强相等的各点所构成的面（可以是平面或曲面）称为等压面。,静止液体的自由表面即为等压面。,1、等压面,2、等压面的特性,由,及等压面定义，得：,等压面方程：,2）等压面就是等势面；,3）等压面与质量力正交,等压面的特性：,1）压强一定相等；,10,2.3 流
4、体静压强分布规律,一、重力作用下的流体静压强公式,静止液体中任一点：,静止液体中任意两点：,重力作用下流体静压强基本公式：,在同一连通的静止液体中：,当点1高于点2时h为正，反之为负。,11,重要结论： （1）同一种液体中，位于同一深度的各点具有相同的压强；或重力作用下的同一种液体联通的水平面一定是等压面；,对于气体，因密度较小，认为任意两点的静压强相等。,（2）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。 （3）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gh。,12,二
5、、压强的计算基准和表示方法,1）、绝对压强 pabs,以设想没有大气存在的绝对真空作零点计算的压强，称为绝对压强。,它是液体中的实际压强，且有 pabs0,1、压强的计量基准,若液面绝对压强为P0，则液体内某一点绝对压强 pabs为：,13,2）、相对压强,以当地大气压作起算零点的压强，称为相对压强。,pabs= p + pa,当 p0 = pa 时：,p = gh,3）、绝对压强与相对压强的关系,绝对压强总是正的，而相对压强可能是正值，也可能是负值。,14,4）、真空及真空度,当液体中某点的绝对压强小于当地大气压强时，则称该点存在真空（负压）。,真空的大小用真空度pv表示，即：,当相对压强为
6、负值时，即存在真空；相对压强的绝对值等于真空度。,15,真空度,绝对压强,相对压强,绝对压强,图2-8 绝对压强、计示压强和真空之间的关系,16,例：如图所示封闭水箱内，液面的绝对压强为p0 = 78.4kN/m2，水深h1 = 0.5m， h2 = 2.5m 。试求A、B两点的绝对压强，相对压强和真空值。,解：1、绝对压强,2、相对压强,A点的相对压强为负值，说明A点处于真空状态，真空值为：,17,二、压强的表示方法,1、用应力单位表示,即从压强的定义出发，用单位面积上的力表示。,2、用大气压的倍数表示,在工程上，常用工程大气压为单位来表示压强。,1个工程大气压 = 98 kN/m2 = 9
7、8 kPa,3、用液柱高度表示,常用水柱高度或水银柱高度表示。,1个工程大气压相应的水柱高度为：,18,例：设自由表面处压强p0= pa，求淡水自由表面下2m深度处的绝对压强和相对压强，并用三种压强单位表示。,解：1、绝对压强,= 117.6 kN/m2,2、相对压强,19,三、静压强分布图,用线段长度表示各点压强大小，用箭头表示压强的方向，如此绘成的几何图形，称为压强分布图。,静止液体中的压强由两部分组成。P0为表面压强，与计算点的深度无关； h为液体自重产生的压强，它与水深呈线性关系。,静水压强分布图形象地反映了受压平面上的压强分布情况。,20,压强分布图的绘制与要点：,1、压强分布图中各
8、点压强方向恒垂直指向作用面，两受压面交点处的压强具有各向等值性。,2、压强分布图与受压面所构成的体积，即为作用于受压面的静水总压力，其作用线通过此力图体积的重心。压强分布图可叠加。,3、由于建筑物通常都处于大气之中，作用于建筑物的有效力为相对压强，故一般只需绘制相对压强分布图。,21,四、位置水头、压强水头和测压管水头,静止液体中任一点：,z 位置水头；, 压强水头；, 测压管水头。,同一容器静止液体中，所有各点的测压管水头均相等。,22,四、压强的量测仪器和方法,1、测压管,1）、测点绝对压强大于当地大气压，直接由同一液体引出的液柱高度来测量压强的测压管,2）、真空高度,hv为真空高度,23
9、,例题2-2 2-3,24,25,2-5 作用于平面上的静水总压力,静止液体作用在平面上的总压力包括三个问题：,1.总压力的大小,2.总压力的作用点,3.总压力的方向,26,一、解析法求作用在任意平面上的静水总压力,大小为：,式中：, 为受压面形心的相对压强；, 为受压面形心在液面下的深度,总压力P的作用点D的位置：, 压力中心D距 ox 轴的距离；, 形心距 ox 轴的距离；, 面积A对过形心C的水平轴的惯性矩。,27,对于矩形：,对于圆形：,28,29,30,例：如图所示，已知某小型圆形闸门AB直径d = 20cm，试求闸门所受静水总压力及作用点位置。,解：,总压力P的作用点D的位置：,=
10、 6.97m,得： a = 0.1m,其中：,31,1、静压强分布图,用线段长度表示各点压强大小，用箭头表示压强的方向，如此绘成的几何图形，称为压强分布图。,静止液体中的压强由两部分组成。P0为表面压强，与计算点的深度无关； h为液体自重产生的压强，它与水深呈线性关系。,静水压强分布图形象地反映了受压平面上的压强分布情况。,二、图解法（用于计算矩形平面）,32,2、图算法（用于计算矩形平面）,设受压平面的长度为l，宽度为b，则静水总压力大小为：,和 分别是矩形平面上边和底边处的水深。,方向垂直指向该平面，作用点D到底边的距离 e 为：,（静压强分布图面积）,33,解：绘出静水压强分布图,大小为
11、：,由合力矩定理：,例：已知一矩形平面宽b=1.0m，两边水深h1=3m及h2=2m，试用图算法求解静水总压力P及其作用点D,34,2.6 液体对壁面的作用力,1. 静止流体作用于曲面壁的总压力,液体作用在曲面上的总压力为,总压力的倾斜角为,作用点通过压力体体积的形心,35,2.液体对壁面的作用力,曲面ABCD所承受的垂直压力PZ恰为体积ABCD5678内的液体重量，其作用点为压力体ABCD5678的重心。曲面ABCD所承受的水平压力Px为该曲面的垂直投影面积Ax上所承受的压力，其作用点为这个投影面积Ax的压力中心。,作用点通过压力体体积的形心,V 压力体体积 Pz压力体重量,其作用点与平面的
12、相同,36,压力体是由三部分表面围成的体积：,即受压的曲面、通过曲面的边缘向液面或液面的延长面作的铅垂平面和自由液面或自由液面的延长面。,实压力体,虚压力体,压力体叠加,37,例：如图所示，圆弧形闸门AB，宽度b= 4m，半径R= 2m，闸门正好与水面齐平，试求： （1）水作用在闸门上的总压力； （2）总压力的作用方向角。,解：,= 146078 N,38,例：如图所示为一溢流坝上的弧形门，已知：R = 10m，门宽b = 8m， = 30o，试求： （1）作用在弧形闸门上的静水总压力；（2）压力作用点位置。,解： （1）静水总压力水平分力,静水总压力铅垂分力,= 5.36 m2,静水总压力,
13、合力作用线与水平方向的夹角：,39,液体作用在潜体和浮体上的总压力,潜体全部浸入液体中的物体称为潜体，潜体表面是封闭曲曲。 浮体部分浸入液体中的物体称为浮体。,方向向上 阿基米德原理,40,例题2-8,例题2-9,41,第二章 小结,本章以压强为中心，阐述了静止液体中应力特性、静水压强的分布规律，以及作用面上总压力的计算。 静止的液体中，只存在压应力压强，压强的大小与作用面的方位无关，是空间坐标的连续函数， 。 水静力学的基本方程 ， 另外两种表达形式为：即 ，或 。掌握其三大意义。 压强因起算基准的不同，分绝对压强、相对压强、真空值。三者的换算关系为： 利用等压面计算压强。,42,作用在平面上的静水总压力，可按解析法（ ）或图算法（ ）计算，后者只适用于底边平行于液面的矩形平面；应掌握力的作用点的求法及其计算公式。 作用在二向曲面上的静水总压力，根据合力投影定理，分别求出水平分力和铅垂分力，然后求合力矢量。应掌握其计算公式，及绘制压强分布图和压力体图的方法。,
