欧拉静平衡方程.doc

欧拉静平衡方程 为了进一步研究流体静平衡规律和流体内部静压强分布规律，我们先运用牛顿第二定律建立流体静平衡方程. 图 2-3 从静止流体中取一微小六面体，其表面与坐标平面平行，边长分别为（参见图2—3）. 从上一节的讨论中知道，作用在流体上的力有质量力和表面力. 对于所取的微元体，作用在其上的质量力为，其中是微元体的质量. 在静止流体中，不存在切向力，表面力中仅有压力. 由于流体中各处的压强不同，即压强是空间坐标的函数，. 因而作用在微元体各个面上的压力不同，其合力可由六个面上的压力按向量相加而得. 设微元体中心C点的压强为，则微元体六个面上的压强可用泰勒级数将压强在C点展开而得，例如，微元体左面的压强为 展开时略去了二阶以上微量，因为取极限时，这些项将趋于零. 同样，微元体右面的压强为 图2—3 上表示了方向两个面上的压力作用. 每个力是三项的乘积，第一项是压强的大小，第二项是表面积，第三项是单位坐标向量，图上也表明了每个力都指向作用面. 用同样方法可以写出其它面上的作用力. 这些表面力的合力为 化简后为 （） 括号中的项称为压强梯度，并写作或. 在直角坐标系中 （2—4） 梯度或可看作是一个向量运算符：对标量取梯度后得到向量. 采用梯度符号后，式（）可写成 从而 上式表明，压强梯度是单位体积流体所受表面力的负值. 组合表面力和质量力，可以得到作用在微元体上的总作用力为 在静止流体中，流体加速度为零. 于是，根据牛顿第二定律，作用在微元体上的作用力应平衡，即 于是得到 （2—5） 从式（2—5）的导出过程可以看出其中各项的物理意义，第一项是单位体积流体所受的质量力，第二项是单位体积流体所受的表面力. 将式（2—5）投影到各坐标轴，可得三个标量方程 （2—6） 式（2—5）和式（2—6）是由欧拉在1775年首先导出的，因此通常称它为欧拉静平衡方程. 它表示了流体在质量力和表面力作用下的平衡条件. 将微分方程组（2—6）中各式分别乘以和后相加，则得 上式右边是压力函数的全微分，所以上式又可写成 （2—7） 如果所讨论的流体是不可压缩的，则因式（2—7）左边是全微分，那么右边也应是某个函数的全微分，令此函数为，于是有 （2—8） 比较式（2—7）和式（2—8），可以看出 （2—9） 以及 式（2—9）表明了函数与质量力之间的关系. 为了弄清函数的物理意义，我们做如下分析. 在流体中取一点A，若将该点流体移动距离（参见图2—4），在坐标方向的分量分别为和，则质量力对单位质量流体所作的功为 这个值刚好等于函数的增量. 另一方面，它也是单位质量 图 2-4 流体的势能（位能）的变化量. 因此，函数反映了单位质量流体的势能. 所以称为势函数或力函数. 并且得出如下结论：质量力有势是不可压流体静止的必要条件. 运动微分方程 粘性流体运动微分方程的推导方法和理想流体的欧拉方程推导方法相同，仅在作用力中出现切向表面力。 参看图7－4，在粘性流体中任取一点C，以C为中心作微元六面体，它的六个表面分别与各坐标平面平行，其边长分别为dx，dy，dz。对此六面体运用牛顿第二定律，下面先来求沿x轴方向的运动微分方程式。各类力沿x轴方向的分力为 表面力 由于微元体是无限小的，因此各个面上的平均应力的大小可以采用表面中心处的应力值。设微元体中心C点的应力状态为 则各个表面中心处的应力可按台劳级数展开得到。作用在与x轴相垂直的左右两个面上的应力分别为和，因此，这两个面上的表面力沿x轴方向的合力为 同理，作用在与y轴相垂直的微元体上、下两个面上的表面