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2.7 静止流体作用在曲面上的总压力

工业中的各种流体容器,尤其大型容器,其壁面几乎都制成曲面的形状。例如,立式和卧式储油罐的罐身、罐顶,球形罐的整个罐壁都是曲面的。在水利工程方面,如弧形闸门、拱坝的表面等也是曲面的。因此,学会计算作用在曲面上的流体总压力,在工程中有着特别重要的意义。

由于曲面上各点的法线方向不同,既不平行也不一定交于一点,因此,作用在曲面各微元面积上微元压力的大小和方向各不相同,为空间力系,不能用前面求平面总压力的方法直接积分求解。但是,可通过计算它的水平分量和铅直分量的方法来确定。方法是将作用在曲面各微元面积上的压力d F 分解为d F x 、d F y 、d F z ,则得到三组平行力系,分别进行积分求其代数和,便得到总压力的三个分量 F x F y F z ,由此可求得其合力 F ,即

为了便于分析,下面以二元曲面(即具有平行母线的柱面)为例,说明总压力的计算方法,所得结论可以推广到任意曲面。

图 2.28 所示为盛装液体的容器。其壁面 AB 部分为二元曲面,其母线平行于 Oy 轴,即垂直于纸面。

图 2.28 曲面上的总压力计算

设液体自由液面的绝对压强为 p 0 ,不一定等于大气压。在曲面上任取一微元面积d A ,其形心点深度为 h ,则作用在d A 面上的压力d F = p d A ,其在 x z 轴上的分量为

式中, α 为d F 与水平平面的夹角。根据几何关系,cos α d A 是d A x 向的法平面(即垂直于 x 轴的平面)上的投影面积,即cos α d A = d A x ,同理, sin α d A = d A z

另外,式中压强 p 应为相对压强,即 p = p 0 - p a + γh 。将上述关系代入式(2.40)及式(2.41),并积分便得到总压力的水平分量和铅直分量。 5COX1WWlNrVngFwooeFp3eDsVlFnbyktNkU1s+OqMc4j3N4coMrM6MtEqAvhKkQq

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