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流体力学/流体静力学/流体静力学基础

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流体静力平衡

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流体静力平衡流体静力平衡是流体静力学中研究的流体的定义条件。流体静力平衡是指流体体积处于静止或以恒定速度运动的条件。尽管流体中的单个分子彼此之间并不处于静止状态,但流体静力平衡要求整个系统在某些惯性参考系中必须静止。换句话说,处于流体静力平衡的系统包含不加速的流体。

此图显示了封闭容器内粒子碰撞产生的压力。施加压力的碰撞以红色突出显示。

静压或简称为“压力”是指垂直于表面的单位面积上施加的力。需要注意的是,此定义仅适用于静止的流体(运动流体的动压)。压力的概念类似于固体力学中的“应力”。在数学上,压力定义为

其中

p 是静压
F 是垂直于表面的力的分量
A 是表面的面积

当力在某个区域上恒定时,作用在该区域上的压力只是

压力是一个标量,因此它在任何给定点上都朝各个方向作用。它就像一个比例常数,将矢量面积元素与作用在其上的法向力相关联,如

负号来自于力的方向被认为朝向表面元素,而法向量指向外部。为了使压力产生力,压力必须在某个区域上积分。

压力的单位

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1971 年,压力的 SI 单位被称为帕斯卡(符号:Pa),等于 1 牛顿每平方米(N/m2 或 kg·m−1·s−2),以纪念法国物理学家布莱斯·帕斯卡。由于帕斯卡对于许多工程目的来说是一个相对较小的压力值,因此千帕斯卡(1 kPa = 1,000 Pa)和兆帕斯卡(1 MPa = 1,000,000 Pa)通常被用作替代。(符号:bar)定义为 100 kPa,或 100,000 Pa,其数量级与大气压相同。但是,大气压最接近于标准大气压(符号:atm),定义为 101,325 Pa。

压力的英文单位是磅每平方英寸(符号:psi,lbf/in2,或 lbf/sq in)。它是由作用于 1 平方英寸面积上的 1 磅力的作用力产生的压力。1 psi 大约等于 6894.757 Pa。

另一个非 SI 压力单位是(符号:Torr),定义为 760 atm。托的值被选择为大约等于1 毫米汞柱(符号:mmHg)产生的压力。托是以意大利物理学家埃万杰利斯塔·托里切利的名字命名的,他于 1643 年发现了汞气压计的用途。

由于一个压力系统有可能对其周围环境做功,因此压力是储存在单位体积内的势能的量度。因此,它与能量密度相关,可以用焦耳每立方米(J/m3,等于 Pa)等单位表示。

以下是列出常用压力单位之间转换的表格。

压力单位
帕斯卡 标准大气压 磅每平方英寸
Pa atm Torr psi
1 Pa ≡ 1 N/m2 10−5 9.8692×10−6 7.5006×10−3 145.04×10−6
1 bar 105 ≡ 105 Pa 0.98692 750.06 14.5037744
1 at 0.980665 ×105 0.980665 0.96784 735.56 14.223
1 atm 1.01325 ×105 1.01325 p0 760 14.696
1 Torr 133.322 1.3332×10−3 1.3158×10−3 ≈ 1 mmHg 19.337×10−3
1 psi 6.895×103 68.948×10−3 68.046×10−3 51.715 ≡ 1 lbf/in2


绝对压力和表压

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绝对压力以完全真空为参考点,因此等于表压加上大气压。表压以周围空气压力为参考点,因此等于绝对压力减去大气压。通常省略负号。

流体静力学

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流体在重力作用下的压力分布由以下关系式给出

其中 dz 是重力场方向的变化(通常是垂直方向)。请注意,获取任意场的对应关系也非常简单,例如,由旋转引起的伪场。

流体中的压力向各个方向均匀作用。当流体与表面接触时,由于压力引起的力作用于表面的法线方向。作用在小面积 dA 上的力由 p dA 给出,其中力方向垂直于 dA。作用在面积 A 上的总力由所有这些无穷小力的矢量和给出。

质量密度

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它是单位体积的质量之比。它用符号 rho ρ=质量/体积表示。它的 SI 单位是 kg/m3

压缩性

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在热力学和流体力学中,压缩性(也称为压缩系数或等温压缩系数)是衡量流体或固体对压力(或平均应力)变化的相对体积变化的量度。

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