理论教育 在流体中应力的特征与分类

在流体中应力的特征与分类

时间:2023-06-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:现以作用在微小正交六面体流体微团ABCD为例,来说明压应力(即压强)和切应力的分布情况。图10.1流体中的应力由于黏性的存在,六个面上都存在着表面力,且与作用面并不垂直,每个面上任意点的表面力总可以分解为法向压应力和切向剪应力。因此,黏性流体中一点的应力由9个应力分量表示。

在流体中应力的特征与分类

理想流体没有黏性作用,流动中流体间或流体与固体间不存在应力,而只有压应力(正应力)。并且可以证明,同静压强一样,理想流体中任一点的动压强在各方向上的大小也都相等。对于实际流体,情况就完全不同。由于实际流体是有黏性的,它阻抗流体质点的形状改变。因此,实际流体中,不仅出现了阻碍运动的摩擦切应力,而且也影响了法向压应力的性质。

现以作用在微小正交六面体流体微团ABCD(图10.1)为例,来说明压应力(即压强)和切应力的分布情况。

设流体微团的三条边长为dx、dy、dz,分别平行x、y、z轴,A点的坐标为(x,y,z)。因为所取的六面体无限微小,可以认为同一作用面上各点具有相同的应力。

图10.1 流体中的应力

由于黏性的存在,六个面上都存在着表面力,且与作用面并不垂直,每个面上任意点的表面力总可以分解为法向压应力和切向剪应力。假设压应力在外法线方向为正,而过A点的三个平面上的切应力方向与坐标轴方向相反,由切应力性质知,通过C点的另外三个面上切应力方向与坐标轴方向相同,但由于位置不同,这三个面上的应力都有一个增量的变化。在直角坐标中,垂直于x轴的作用面AE上的任意点处的应力可以分解为

pxx、τxy、τxz

同样,作用在垂直于y和z轴的作用面上任意点处的应力分解为

τyz、pyy、τyz

τzx、τzy、pzz

其中,压应力p和切应力τ的角标,第一个表示与该应力的作用面相垂直的坐标轴;第二个表示与该应力的作用线相平行的坐标轴。这样,六个面上共18个应力。

若将六面体向A点无限缩小,这时三个作用面上的9个应力量就描述了A点的应力状态。因此,黏性流体中一点的应力由9个应力分量表示。但6个切应力分量之间,存在下列关系,即

证明如下:(www.daowen.com)

讨论受力的六面体处于任意运动状态。将作用于六面体微团上的所有应力,对六面体中心M而与x轴平行的轴线0⁃0取力矩,由于所有各面上的法向应力通过六面体中心,对M点取矩为零。质量力通过中心点M,不产生力矩。所取的力矩若以逆时针方向为正,顺时针方向为负,则表面力对该轴的力矩之和为

根据转动定律

式中 J——物体的转动惯量,对于平行六面体,J=ρdxdydzdr2

r——转动半径;

——转动角加速度

所以

当dx、dy、dz趋近于零时,略去方程中四阶和五阶微量,有

同理可证

黏性流体中一点上的应力可以用6个独立应力分量表示,其中三个压应力,三个切应力。

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