什么是流体力学?
流体力学是研究流体内部和外部的力,以及流体的能量和运动的学科。对于任何涉及流体的工程问题——例如喷淋系统、水坝或常见的淡水和污水管道的设计——都需要流体力学的知识。流体力学包含两个子领域:流体静力学,研究静止的流体;流体动力学,研究运动的流体。然而,在详细讨论这两个领域之前,我们有必要深入研究几个基本但必要的概念和定义。
流体的定义
流体定义为一组分子,这些分子服从容器形状。因此,液体和气体都可以定义为流体。相比之下,固体往往保持其形状,因此在容器形状变化时不容易变形。很明显,水、油和水银都是流体的例子;相比之下,钢管和混凝土都是固体的明显例子。
流体的有用性质
流体具有一些在流体力学研究中至关重要的性质,其中最重要的是比重(γ)。γ 被定义为流体的重量除以其体积;因此,它的单位在 SI 中为 N m 3 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {N}{m^{3}}}\end{matrix}}} ;在英制单位中,γ 为 l b f t 3 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {lb}{ft^{3}}}\end{matrix}}} 。流体(或固体)的重量为
w = M g {\displaystyle \mathbf {w} =Mg}
其中 w 是重量,M 是质量,g 是重力常数。g 在 SI 中的单位是 m s 2 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {m}{s^{2}}}\end{matrix}}} ,在英制单位中,g 为 f t s 2 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {ft}{s^{2}}}\end{matrix}}} 。因此,γ 等于
γ = w V {\displaystyle {\boldsymbol {\gamma }}={\begin{matrix}{\frac {w}{V}}\end{matrix}}}
其中 V 是体积,不要与速度混淆,速度我们将在后面定义为 v。另一个重要的流体属性是密度(ρ),它被定义为单位体积流体的质量。
ρ = M V {\displaystyle {\boldsymbol {\rho }}={\begin{matrix}{\frac {M}{V}}\end{matrix}}}
它在 SI 和英制中的单位分别为 k g m 3 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {kg}{m^{3}}}\end{matrix}}} 和 s l u g s f t 3 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {slugs}{ft^{3}}}\end{matrix}}} 。密度和比重之间的关系相当明显,细心的读者无疑会很快发现
γ = ρ g = M g V {\displaystyle {\boldsymbol {\gamma }}={\boldsymbol {\rho }}g={\begin{matrix}{\frac {Mg}{V}}\end{matrix}}}
因为,很明显,重量除以体积等于质量乘以g除以相同体积的流体。
压力
流体上的压力或由流体引起的压力定义为所施加的力除以施加力的面积。从数学上来说,我们定义压力为
P = F A {\displaystyle P={\begin{matrix}{\frac {\mathbf {F} }{A}}\end{matrix}}}
压力的单位是帕斯卡(Pa);1 帕斯卡等于 1 N m 2 {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {1N}{m^{2}}}\end{matrix}}} . 压力将是我们对流体力学第一个详细研究,即流体静力学的基础。
流体静力学,如前所述,是研究静止流体的学科。例如,通过流体静力学概念可以推导出静止水体对阻挡它的水坝侧面的压力。
本节将讨论关于压力的几个方面,它们都与静止流体池中压力如何变化和作用的问题有关。例如,我们希望能够回答诸如:在 5 米深的水中,会有多少帕斯卡的压力?此外,我们希望能够对流体压力的作用方向做出结论;例如,作用在 5 米深潜水员身上的向上压力是否等于作用在该潜水员身上的向下压力?此外,潜水员上方的水量是否会影响潜水员所承受的压力?换句话说,半径为 1 厘米的 8 厘米高的玻璃杯底部压力是否等于半径为 8 厘米的 8 厘米高的玻璃杯底部压力?我们将从回顾基础物理学开始讨论。
(顺便说一句,通常认为“黑体”符号或字母表示向量。然而,在本例中,黑体用于强调,不一定表示向量。)
牛顿定律,再回顾
艾萨克·牛顿的第一和第二定律在数学形式上如下所示。
对于所有物体
F = M a {\displaystyle \mathbf {F} =M\mathbf {a} }
其中 a {\displaystyle \mathbf {a} } 是物体的加速度,M 是物体的质量。因此,当物体不受任何外力时, a {\displaystyle \mathbf {a} } 必须为零。因此,在这种特殊情况下
∑ F x = ∑ F y = ∑ F z = 0 {\displaystyle \sum \mathbf {F_{x}} =\sum \mathbf {F_{y}} =\sum \mathbf {F_{z}} =0}
当然,在流体静力学中,我们假设所讨论的流体相对于其周围环境处于静止状态——因此, a {\displaystyle \mathbf {a} } 为零,并且每个方向上的所有力的总和必须如上所示为零。
我们想象一个静止流体池中间任意一个流体立方体,如图 1 所示。我们给作用在这个立方体上的未知压力标上标签,如图 1 所示。让我们将标有“1”的压力设为“正”方向,我们将标有“2”的压力设为“负”方向。请注意,这些符号是任意的,如果互换,会产生完全相同的结果。我们假设流体不会因作用在其上的压力而压缩。
图 1 :任意一个静止流体立方体 。
因此,我们有六个压力: P 1 x , P 2 x , P 1 y , P 2 y , P 1 z {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} ,\mathbf {P_{2x}} ,\mathbf {P_{1y}} ,\mathbf {P_{2y}} ,\mathbf {P_{1z}} } 和 P 2 z {\displaystyle \mathbf {P_{2z}} } (图中只显示了一些)。这些压力中的每一个都作用在立方体的一个面上。当然,这个立方体的深度是任意的,所以我们必须将这些压力重新定义为立方体中心的某个任意压力,我们将它标为 P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } 。
这些压力中的每一个都可以与 P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } 相关联,方法是通过从中心点 (A) 到每个表面的压力变化。例如,对于 P 1 x {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} } ,压力变化等于压力相对于 x 方向的偏导数乘以 A 与 P 1 x {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} } 作用的表面之间的距离。
δ P X = ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) {\displaystyle {\boldsymbol {\delta P_{X}}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)}
其中 δ P X {\displaystyle {\boldsymbol {\delta P_{X}}}} 是点 A 与 P 1 x {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} } 和 P 2 x {\displaystyle \mathbf {P_{2x}} } 作用的表面之间的压力变化。 δ X ( 1 2 ) {\displaystyle {\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)} 是从 A 到任一表面的距离。Y 和 Z 方向的压力变化可以类似地找到。
δ P Y = ∂ P ∂ y δ Y ( 1 2 ) {\displaystyle {\boldsymbol {\delta P_{Y}}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta Y}}\left({\frac {1}{2}}\right)}
δ P Z = ∂ P ∂ z δ Z ( 1 2 ) {\displaystyle {\boldsymbol {\delta P_{Z}}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial z}}{\boldsymbol {\delta Z}}\left({\frac {1}{2}}\right)}
按照通常的惯例,假设“右”为正,则 P 2 x {\displaystyle \mathbf {P_{2x}} } 等于 P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } 加上压力变化。
P 2 x = δ P X + P A = ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{2x}} ={\boldsymbol {\delta P_{X}}}+P_{A}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
类似地,对于 P 1 x {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} } ,压力变化为负。
P 1 x = − δ P X + P A = − ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{1x}} =-{\boldsymbol {\delta P_{X}}}+P_{A}=-{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
当然,所有其他压力都可以用相同的方式推导出来。在这里我们假设——记住,虽然它是任意的,但相反的符号分配会产生相同的结果——Y 方向上的“向上”和 Z 方向上从显示器“向外”都是正的
P 1 y = − δ P Y + P A = − ∂ P ∂ y δ Y ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{1y}} =-{\boldsymbol {\delta P_{Y}}}+P_{A}=-{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta Y}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
P 2 y = δ P Y + P A = ∂ P ∂ y δ Y ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{2y}} ={\boldsymbol {\delta P_{Y}}}+P_{A}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta Y}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
P 1 Z = − δ P Z + P A = − ∂ P ∂ z δ Z ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{1Z}} =-{\boldsymbol {\delta P_{Z}}}+P_{A}=-{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial z}}{\boldsymbol {\delta Z}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
P 2 Z = δ P Z + P A = ∂ P ∂ z δ Z ( 1 2 ) + P A {\displaystyle \mathbf {P_{2Z}} ={\boldsymbol {\delta P_{Z}}}+P_{A}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial z}}{\boldsymbol {\delta Z}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}}
现在我们已经推导出立方体每个面的压力,我们试图使用牛顿定律来求解压力。我们知道作用在立方体上的总力必须等于它的质量乘以它的加速度。但是,我们开始推导时假设立方体是静止的。因此,
∑ F T = 0 {\displaystyle \sum \mathbf {F_{T}} =0}
由于我们现在知道压力,我们可以找到作用在每个面上的力。例如,作用在正 X 方向上的力等于
F 1 x = ( δ Z δ Y ) P 1 X = δ Z δ Y ( − ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A ) {\displaystyle \mathbf {F_{1x}} =({\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}})\mathbf {P_{1X}} ={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}({\frac {-\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A})}
由于,记住,
F = P A {\displaystyle \mathbf {F} =PA}
当然,在这里,看一下图 1,很明显
δ Z δ Y = A {\displaystyle {\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}=A}
使用相同的方法,我们可以得出结论:
F 2 x = ( δ Z δ Y ) P 2 X = δ Z δ Y ( ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A ) {\displaystyle \mathbf {F_{2x}} =({\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}})\mathbf {P_{2X}} ={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}({\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A})}
因此,我们可以将 X 方向上的力加起来得到:
∑ F X = 0 = δ Z δ Y ( ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A ) − δ Z δ Y ( − ∂ P
0 = δ Z δ Y ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + P A + δ Z δ Y ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) − P A {\displaystyle 0={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A}+{\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)-P_{A}}
0 = δ Z δ Y ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) + δ Z δ Y ∂ P ∂ x δ X ( 1 2 ) {\displaystyle 0={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)+{\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta X}}\left({\frac {1}{2}}\right)}
0 = δ Z δ Y δ X ∂ P ∂ x = ∂ P ∂ x δ V {\displaystyle 0={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial x}}{\boldsymbol {\delta V}}}
这里, δ {\displaystyle {\boldsymbol {\delta }}} 符号表示“少量”,因此 δ V {\displaystyle {\boldsymbol {\delta V}}} 表示“一小块体积”。
请注意,在这个简单的等式中包含了我们最初问题的部分答案。我们试图确定压力的变化方式。上面的等式告诉我们,流体立方体的体积与 X 方向上的压力变化的乘积始终为零。假设我们任意立方体的体积不为零,这意味着 X 方向上的压力变化必须为零!这比你想象的意义更大。个人经验告诉我们,我们在游泳池潜水时感受到的压力取决于我们的深度,而不是我们在游泳池中的位置。我们从经验中知道,游泳池一端底部的压力与同一游泳池另一端底部的压力感觉没有任何不同。然而,如果没有这样的经验,我们可能永远不会意识到我们世界中的这一方面。然而,利用相当简单的逻辑和数学,我们不仅可以证明这些假设,甚至可以在没有直接经验或数据的情况下准确地预测它们。
继续完成我们的证明,我们可以像对 X 方向一样对 Z 方向上的力求和。这是因为作用在 Z 方向上的只有两个力,它们是由压力引起的相反力。就像在 X 方向一样, P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } 相互抵消,我们剩下类似的方程
0 = δ Z δ Y δ X ∂ P ∂ z = ∂ P ∂ z δ V {\displaystyle 0={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial z}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial z}}{\boldsymbol {\delta V}}}
因此,水池中 Z 方向上的压力变化必须为零。如果读者对此没有完全信服,我建议她推导出上面的结论。
起初,我们可能倾向于声称 Y 方向上的压力推导与 X 和 Z 方向上的压力推导基本相同。然而,仔细阅读的读者会注意到,在图 1 中,没有忽略流体的重量。流体的重量等于比重乘以体积
δ Z δ Y δ X γ = δ V γ = W {\displaystyle {\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\boldsymbol {\gamma }}={\boldsymbol {\delta V\gamma }}={\boldsymbol {W}}}
这是因为你会记得,比体积等于重量除以体积。因此,将比重乘以体积得到重量。
因此,Y 方向上的力的总和揭示了以下等式
∑ F Y = W = δ Z δ Y δ X γ = δ Z δ Y ( ∂ P ∂ y δ Y ( 1 2 ) + P A ) − δ Z δ Y ( − ∂ P ∂ y δ Y ( 1 2 ) + P A ) {\displaystyle \sum \mathbf {F_{Y}} =W={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\boldsymbol {\gamma }}={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}({\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta Y}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A})-{\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}({\frac {-\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta Y}}\left({\frac {1}{2}}\right)+P_{A})}
A 处的压力再次相互抵消,我们有
δ Z δ Y δ X γ = δ Z δ Y δ X ∂ P ∂ y = ∂ P ∂ y δ V {\displaystyle {\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\boldsymbol {\gamma }}={\boldsymbol {\delta Z}}{\boldsymbol {\delta Y}}{\boldsymbol {\delta X}}{\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}{\boldsymbol {\delta V}}}
因此,我们可以消去小体积,得到
γ = ∂ P ∂ y {\displaystyle {\boldsymbol {\gamma }}={\frac {\partial {\boldsymbol {P}}}{\partial y}}}
现在(终于!!)我们可以推导出压力的公式。将 y 的导数相乘并积分,得到
∫ P 1 P 2 d P = ∫ y 1 y 2 γ d y {\displaystyle \int _{P_{1}}^{P_{2}}dP=\int _{y_{1}}^{y_{2}}{\boldsymbol {\gamma }}dy}
Δ P = ( y 2 − y 1 ) γ {\displaystyle {\boldsymbol {\Delta P}}=(y_{2}-y_{1}){\boldsymbol {\gamma }}}
因此,静止流体中两点之间的压差等于流体比重与流体深度变化的乘积。因此,我们可以陈述有关流体静力的两个定律
1. 压强只随流体深度的变化而变化;没有其他尺寸变化会影响压强。
2. 由于静止流体中的一点必须没有净力作用在其上,因此压强从各个角度均匀地作用。
通常,流体力学问题假设一个参考压强,该压强等效于大气压强。这是因为,由于压强总是测量为变化量,所以让大气压强等于零,然后根据该参考压强测量所有其他压强,更实际。这被称为“表压”。例如,如果想要测量湖底的压强,让湖表面的大气压强为零更方便,因此湖中某个深度的压强为
P = ( h ) γ {\displaystyle \mathbf {P} =(h){\boldsymbol {\gamma }}}
这里, h {\displaystyle \mathbf {h} } 是系统参考线到该点的距离,例如,对于湖泊,该距离是从水面到该点的距离。另一方面,“绝对压强”是从零参考值测量的压强。换句话说,在这种情况下,它将包括施加在湖面的大气压强。
例题 1 :求水管中的压强。
图 2 :水箱和水管装置。
考虑图 2 右侧的水箱和水管装置。除非另有说明,我们假设每个压强都是表压。求以下值
i ) {\displaystyle {\boldsymbol {i)}}} 点 A 的压强, P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } .
解 :
P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } = h A {\displaystyle \mathbf {h_{A}} } γ {\displaystyle \mathbf {\gamma } } , 其中 γ {\displaystyle \mathbf {\gamma } } 是流体的比重 - 在这种情况下是水。 因此,
P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } = 2 ( 9.8 ) ( K N m 3 ) m {\displaystyle 2(9.8)\left({\frac {KN}{m^{3}}}\right)m}
P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } = 19.6 ( K N m 2 ) {\displaystyle 19.6\left({\frac {KN}{m^{2}}}\right)}
P A {\displaystyle \mathbf {P_{A}} } = 19.6 K P a {\displaystyle 19.6\mathbf {KPa} }
i i ) {\displaystyle {\boldsymbol {ii)}}} 点 B 的压力, P B {\displaystyle \mathbf {P_{B}} } .
解 :
P B {\displaystyle \mathbf {P_{B}} } = [ h A + h B ] γ {\displaystyle [\mathbf {h_{A}} +\mathbf {h_{B}} ]\mathbf {\gamma } }
P B {\displaystyle \mathbf {P_{B}} } = 3 ( 9.8 ) ( K N m 3 ) m {\displaystyle 3(9.8)\left({\frac {KN}{m^{3}}}\right)m}
P B {\displaystyle \mathbf {P_{B}} } = 29.4 ( K N m 2 ) {\displaystyle 29.4\left({\frac {KN}{m^{2}}}\right)}
P B {\displaystyle \mathbf {P_{B}} } = 29.4 K P a {\displaystyle 29.4\mathbf {KPa} }
i i i ) {\displaystyle {\boldsymbol {iii)}}} 点C的绝对压力, P c {\displaystyle \mathbf {P_{c}} } .
解 :
点C的绝对压力是大气压, P 0 {\displaystyle {\boldsymbol {P_{0}}}}
i v ) {\displaystyle {\boldsymbol {iv)}}} 点B的绝对压力, P b {\displaystyle \mathbf {P_{b}} } .
解 :
P b {\displaystyle \mathbf {P_{b}} } = [ h A + h B ] γ + P 0 {\displaystyle [\mathbf {h_{A}} +\mathbf {h_{B}} ]\mathbf {\gamma } +\mathbf {P_{0}} }
P b {\displaystyle \mathbf {P_{b}} } = 3 ( 9.8 ) + 101 K P a ( K N m 3 ) m {\displaystyle 3(9.8)+101\mathbf {KPa} \left({\frac {KN}{m^{3}}}\right)m}
P b {\displaystyle \mathbf {P_{b}} } = 130.4 ( K N m 2 ) {\displaystyle 130.4\left({\frac {KN}{m^{2}}}\right)}
P b {\displaystyle \mathbf {P_{b}} } = 130.4 K P a {\displaystyle 130.4\mathbf {KPa} }
例题 2 :寻找不漏水的管道长度 'r' 的最小值。
图 3 : 寻找管道长度 'r',以确保水不会从管道末端泄漏。
一位罐体设计师想知道图 3 所示的管道 'r' 的最小长度,她需要购买的长度,以确保系统不会泄漏水。此外,她告诉你罐体底部的压力是一个常数 466 K P a {\displaystyle 466\mathbf {KPa} } 。找到她必须购买的最少管道长度 'r'。