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第2章流体静力学第二章流体静力学流体静力学主要研究流体在静止状态下的平衡规律及其工程应用。
由于静止状态下流体之间及流体与物面之间的作用是通过静压力的形式来表现的。
所以，本章的中心问题是研究静止状态下静压力的分布规律，进而确定静止流体作用物面上的总压力，用以解决工程实际问题。
流体静力学中所说的静止是指流体质点间没有相对运动的状态。
所以，流体的静止包含以下两种情况：流体整体对地球没有相对运动的所谓绝对静止；流体整体对地球有相对运动，但流体质点之间没有相对运动的所谓相对静止。
流体静止时，流体质点之间没有相对运动，所以粘滞性在静止流体中显现不出来。
因此，本章所得到的流体平衡规律对理想流体和实际流体均适用。
§2－1 流体静压力及其特性一、静压力在静止流体中，不存在切应力。
因此，流体中的表面力就是沿受力面法线方向的正压力或法向力。
设在作用微元面积△A上的法向力为△P，则极限ΔP （2－1）ΔA?0ΔA就是流体单位面积上所受到的垂直于该表面的力，即物理学中的压强，称为流体静压力，简称压力，用p表示。
其单位为N/m2，称为帕斯卡，简称帕（Pa）。
作用在某一面积上的静压力的合力称为总压力，以P表示，其单位为牛顿（N）。
常用的压力单位有：帕(Pa)、巴(bar)、标准大气压(atm)、毫米汞柱(mmHg)、米水柱(mH2O)，其换算关系为：1bar=1×105 Pa；1atm=1.01325×105 Pa；1atm=760 mmHg；1atm=10.34 mH2O；1mmHg=133.28Pa；1mH2O=9800Pa。
由此可见静压力的单位非常的小，所以在工程实际中常用的单位是kPa(103Pa）或MPa(106Pa)。
p=lim二、静压力的两个重要特性特性之一：静压力沿着作用面的内法线方向，即垂直地指向作用面。
证明：一方面，流体静止时只有法向力，没有切向力，静压力只能沿法线方向；另一方面，流体不能承受拉力，只能承受压力。
流体静力学
1关于流体静力学
流体静力学是物理学的一个分支，主要研究静止的或缓慢流动的液体、气体及其他物质的力学属性。
2历史渊源
17世纪时期，英国物理学家伊曼纽尔·库伦率先将流体作为研究对象，把物理学中传统的运动学和力学理论扩展到流体领域。
他和其他学者认识到，流体总是处于连续变化的状态，因此，需要运用微分方程和积分方法来求解流体力学模型中的未知量。
3分类
流体静力学可分为静压流体力学、旋转流体力学、涡流流体力学、声学流体力学、空气动力学等。
4应用
1、借助流体静力学，可以分析一个固定颗粒在流体中的运动，计算流体中的流量、压力等。
2、它还能精确的测算各种形状的空气动噪音，应用在飞机发动机设计中。
3、流体静力学可以应用在水力发电系统设计以及航空航天等领域中。
5研究领域
除了传统的大气动力学和空动力学等应用，研究流体静力学的领域还包括非牛顿流体力学、流体可塑性、多重重力场流体动力学、复杂流场流变学以及快速流动流体动力学等，涉及到气体、液体、蒸汽等的流变特性研究。
流体静力学是一门极其广泛的学科，它的研究涉及到热力学、固体力学、材料力学等领域，可用于计算流体动力作用于结构体的应力和变形性能，同时还可以应用于设计机械装置中流体流动的传热和传质，以及流体流动的稳定性和可控性等。
中国石油大学（华东）工程流体力学实验报告
实验日期：2012年3月14日成绩：
班级：热工10-3班学号：10123314 姓名：张有福教师：王连英
同组者：毛欢、白申杰
实验一、流体静力学实验
一、实验目的：填空
1．掌握用液式测压计测量流体静压强的技能；
2．验证不可压缩流体静力学基本方程，加深对位置水头、压力水头和测压管水头的理解；
3. 观察真空度（负压）的产生过程，进一步加深对真空度的理解；
4．测定油的相对密度；
5．通过对诸多流体静力学现象的实验分析，进一步提高解决解决静力学实际问题的能力。
二、实验装置
1、在图1-1-1下方的横线上正确填写实验装置各部分的名称
本实验的装置如图所示。
1.测压管；
2.带标尺的测压管；
3.连通管；
4.通气阀；
5.加压打气球；
6.真空测压管；
7.截止阀；8. U形测压管；9.油柱；
10. 水柱；11.减压放水阀
图1-1-1 流体静力学实验装置图
2、说明
1．所有测管液面标高均以标尺（测压管2） 零读数为基准；
2．仪器铭牌所注B ∇、C ∇、D ∇系测点B 、C 、D 标高；若同时取标尺零点作为静力
学基本方程的基准，则B ∇、C ∇、D ∇亦为B z 、C z 、D z ；
3．本仪器中所有阀门旋柄均顺 管轴线为开。
三、实验原理 在横线上正确写出以下公式
1．在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程 形式之一：
const p
z =+
γ
（1-1-1a ）
形式之二：
h p p γ+=0 （1-1b ）
式中 z ——被测点在基准面以上的位置高度；
p ——被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；
0p ——水箱中液面的表面压强； γ——液体重度；
h ——被测点的液体深度。
2. 油密度测量原理
当U 型管中水面与油水界面齐平（图1-1-2），取其顶面为等压面，有
01w 1o p h H γγ== （1-1-2） 另当U 型管中水面和油面齐平（图1-1-3），取其油水界面为等压面，则有
02w o p H H γγ+= 即
02w 2o w p h H H γγγ=-=- （1-1-3）
h 1
w
h 2
图1-1-2 图1-1-3
由（1-1-2）、（1-1-3）两式联解可得： 21h h H +=
代入式（1-1-2）得油的相对密度o d
2
11
00h h h d w +=
=
γγ （1-1-4） 根据式（1-1-4），可以用仪器（不用额外尺子）直接测得o d 。
四、实验要求 填空
1．记录有关常数 实验装置编号No.4
各测点的标尺读数为：
B ∇=2.1cm ；
C ∇=-2.9cm ；
D ∇=-5.9cm ；
基准面选在测压管2的0刻度线 ； C z =-2.9cm ； D z =-5.9cm ；
2．分别求出各次测量时，A 、B 、C 、D 点的压强，并选择一基准验证同一静止液体内的任意二点C 、D 的(p
z γ
+
)是否为常数？
验证见下表表1-1-1 流体静压强测量记录及计算表 得任意二点C 、D 的(p
z γ
+
)为常数。
3．求出油的重度。
o γ= 8330 3N/m
4．测出6#测压管插入小水杯水中深度。
6h ∆=5.16cm
5．完成表1-1-1及表1-1-2。
五、实验步骤
填空
1．搞清仪器组成及其用法。
包括：
1）各阀门的开关； 2）加压方法
关闭所有阀门（包括截止阀），然后用打气球充气； 3）减压方法
开启筒底减压放水阀11放水； 4）检查仪器是否密封
加压后检查测压管l 、2、8液面高程是否恒定。
若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。
2．记录仪器编号、各常数。
3．实验操作，记录并处理实验数据，见表1-1-1和表1-1-2。
4．量测点静压强。
1)打开通气阀4(此时00=p )，记录水箱液面标高0∇和测管2液面标高H ∇(此时0H ∇=∇)；
2)关闭通气阀4及截止阀8，加压使之形成00p >，测记0∇及H ∇； 3)打开减压放水阀11，使之形成00<p (要求其中一次
B
0p γ
<，即H B ∇<∇)，测记
0∇及H ∇。
5．测出测压管6插入小水杯中的深度。
6．测定油的相对密度o d 。
1)开启通气阀4，测记0∇；
2)关闭通气阀4，打气加压(00>p )，微调放气螺母使U 形管中水面与油水交界面齐平(图1-1-2)，测记0∇及H ∇(此过程反复进行3次)。
3)打开通气阀4，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启减压放水阀11降压(00<p )，使U 形管中的水面与油面齐平(图1-1-3)，测记00<p (此过程亦反复进行3次)。
六、注意事项（填空）
1．用打气球加压、减压需缓慢，以防液体溢出及油珠吸附在管壁上；打气后务必关闭打气球下端阀门，以防漏气。
2．在实验过程中，装置的气密性要求保持良好。
5
七、问题分析
1．同一静止液体内的测压管水头线是根什么线?
测压管水头指z+p/y ，即静力学实验仪显示的测压管液面至基准面的垂直高度。
测压 管水头线指测压管液面的连线。
从实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是 一根水平线。
2．当B 0p <时，静压仪中的真空区域有哪些？
以第3次B 点量测数据（表1.1）为例，此时 ，相应容器的真空区域包括以下3三部分： （1）过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言， 该水平面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气（包括管3）所占的 空间区域，均为真空区域。
（2）同理，过箱顶小杯的液面作一水平面，测压管6中该平面以上的区域亦为真空区域。
（3）在测压管3中，自水面向下深度为12.69cm 的一段水注亦为真空区。
这段高度与测 压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等，均为 12.69cm 。
3．若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定o d 。
最简单的方法，是用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管8油水界面至水面和油水 界面至油面的垂直高度w h 和o h ，由式 o o w w h h γγ=，从而求得o d 。
4．如测压管太细，对测量结果将有何影响?
一般说来，当玻璃测压管的内径大于10mm 时，毛细影响可略而不计。
另外，当水 质不好时，σ减小，
毛细高度亦较净水也减小；当采用有机玻璃作测压管时，浸润角θ 较 大，其h 较普通玻璃管小。
如果用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。
因为测量高、低压 强时均有毛细现象，但在计算压差时相互抵消了。
5．过C 点作一水平面，相对管1、2、8及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面?哪一部分液体是同一等压面?
不全是等压面，它仅相对管1、2及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。
因为只有全部具备下列5个条件的平面才是等压面：
（1） 重力液体； （2） 静止； （3） 连通；
（4） 连通介质为同一均质液体； （5） 同一水平面
而管8与水箱之间不符合条件（4），因此，相对管8和水箱中的液体而言，该水平面不是等压面。
八、心得体会
这是我第一次接触流体力学的实验，老师给我们演示的有趣的实验现象深深的吸引了我。
这也是我第一次写电子版的实验报告，
感受到了以前做实验所没有的感觉，我觉得咱们这个实验课很新颖。
当然这是老师们辛勤的成果，在这里我要谢谢老师的耐心指导，耐心的回答我们每一个问题，却没有半点怨言。
我感受到了信息时代电脑给我们带来的真正的便利，而不只是玩游戏的工具。
