流体力学/流体静力学/流体静力学基础
流体静力平衡或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。
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。
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。巴(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 压力单位是托(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。
帕斯卡 | 巴 | 标准大气压 | 托 | 磅每平方英寸 | |
---|---|---|---|---|---|
Pa | 巴 | 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。
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
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。