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流体压强和流速的关系

时间:2022-02-12 理论教育 版权反馈
【摘要】:因此,流体静压强的方向必然是垂直并指向作用面。作用于微小直角四面体OABC的四个表面OBC,OCA,OAB及ABC上的表面力只有压力,其平均流体静压强和流体静压力分别为px、py、pz及pn和Px、Py、Pz及Pn,根据特性作用于四面体OABC的四个表面上的平均流体静压强和流体静压力均垂直指向作用面即指向内法线方向。

处于静止状态下的流体内部,流体质点之间或流层之间以及流体与边界之间不存在切力和拉力,只存在法向的压力。这种法向的压力称为流体静压力(也称为流体总压力、静水总压力)。流体静压力的单位为牛顿(N)或千牛顿(kN),流体静压强的单位为牛顿/米2(N/m2)或帕(Pa),也可以为千牛顿/米2(kN/m2)或千帕(kPa)。

流体静压强有两个重要特性:

(1)流体静压强的作用方向垂直并指向作用面。

可以用反证法证明。如果图2-3所示的流体为静止流体,其中M流体静压力ΔP如果不垂直于作用面ΔA,则可以将ΔP分解为沿ΔA法线方向和切线方向两个分力。由第1章可知,在处于静止状态下的流体内部,如果存在切力,则流体势必会发生相对运动,流体不可能保持静止状态。所以流体静压力ΔP的方向必然与作用面ΔA的法线方向重合,即垂直于作用面。又由于静止流体几乎不能承受拉力,则流体静压力ΔP的方向只能是内法线方向,即指向作用面。因此,流体静压强的方向必然是垂直并指向作用面。

(2)静止流体内任意一点的流体静压强的大小与其作用面的方位无关,也就是说,流体内任意一点的流体静压强在各方向上相等。

可以利用力的平衡原理来证明这一特性。如图3-2所示,在静止流体中任取一微小直角四面体OABC,其斜面ABC为任意方向。令该四面体的三直角边OA、OB、OC分别与坐标轴Ox、Oy、Oz重合,其长度各为dx、dy、dz。斜面ABC的法线方向为n。作用于微小直角四面体OABC的四个表面OBC,OCA,OAB及ABC上的表面力只有压力,其平均流体静压强和流体静压力分别为px、py、pz及pn和Px、Py、Pz及Pn,根据特性(1)作用于四面体OABC的四个表面上的平均流体静压强和流体静压力均垂直指向作用面即指向内法线方向。又设作用在四面体OABC上的单位质量力在各轴向的分量分别为fx、fy、fz,斜面ABC的面积为dA,流体的密度为ρ。

图3-2 静止流体中任取的一微小四面体

根据力的平衡原理,微小直角四面体OABC所承受的全部外力在各坐标轴上的投影之和等于零。即

其中cos(n,x)、cos(n,y)和cos(n,z)分别为法线方向n与三个坐标轴方向的方向余弦,并且

代入式(3-2),各式同除以公因子得

当微小四面体OABC缩小并趋向于O点时,px、py、pz及pn变为作用于同一点O而方向不同的流体静压强。这时,上面平衡方程中第三项与第一项和第二项相比较,为高一阶的无穷小量,可以忽略不计。这样有

由于斜面ABC为任意给定的,其法线方向n为任意的。则上式表明,作用于任意一点的流体静压强的大小在各方向上相等,与作用面的方向无关,但不同点的压强大小一般不相等。由于流体可以看做连续介质,所以流体静压强将是空间坐标的连续函数,即

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