fluid mechanics chapter 2 - e-learning.kku.ac.th
TRANSCRIPT
22/11/49
1
Fluid Mechanics
Asst.Prof.Denpong Soodphakdee
Department of Mechanical Engineering
Chapter 2Fluid Statics
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [2]
Fluid Statics
Important assumption is there is no shearing stress present in a fluid at rest
22/11/49
2
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [3]
Basic Equation for Pressure Field
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [4]
Pressure Variation in a Fluid at rest
For a fluid at rest a = 0, then
or in component form
or
k̂ 0p
0 0p p p
x y z
dp
dz
22/11/49
3
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [5]
Pressure Variation in a Fluid at rest --- Incompressible Fluid
Integrate previous equation
yield
2 2
1 1
p z
p zdp dz
2 1 2 1 1 2 2 1 or p p z z p p z z
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [6]
Pressure Variation in a Fluid at rest --- Incompressible Fluid
1 2p p h
1 2or p h p
22/11/49
4
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [7]
Pressure Variation in a Fluid at rest --- Incompressible Fluid
The pressure different between two points can be specified by the distance, h since
The pressure head, h, is the height of a column of fluid that would give the specified pressure difference.
1 2p ph
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [8]
Pressure Variation in a Fluid at rest --- Incompressible Fluid
In a work that fluid is expose to atmosphere at free surface, it is convenient to use free surface pressure as a reference pressure, p0
0p h p
22/11/49
5
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [9]
Standard Atmosphere
Temperature 288.15 K
Pressure 101.33 kpa (abs)
Density 1.225 kg/m3
Specific weight 12.014 N/m3
Viscosity 1.789 × 10-5 N.s/m2
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [10]
Variation of Temperature with Altitude
22/11/49
6
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [11]
Measurement of Pressure
Pressure is designate as either absolute pressure or gage pressure
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [12]
Manometry
Manometers use vertical or inclined liquid columns to measure pressure
1 1Ap h 2 2 1 1Ap h h
Pie
zom
ete
r T
ub
e
U-T
ub
e M
an
om
ete
r
22/11/49
7
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [13]
Manometry
Manometer are often used to measure the difference in pressure between two points
1 1 2 2 3 3
2 2 3 3 1 1
or
A B
A B
p h h h p
p p h h h
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [14]
Inclined-Tube Manometer
Inclined-tube manometer can be used to measure small pressure differences accurately
2 2 2
2
sin or sin
A BA B
p pp p
22/11/49
8
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [15]
Pressure Gage
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [16]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
When a surface submerged in a fluid, forces develop on the surface due to fluid.Resultant force is important in the design of storage tanks, ships, dams, and other hydraulic structure.For fluid at rest, the force is perpendicular to the surface since there are no shearing stresses present.For horizontal surface, the magnitude of resultant force is simply, FR=pA.
22/11/49
9
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [17]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [18]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
dF pdA hdA
sin
sin
RA
A
A
F hdA
y dA
ydA
22/11/49
10
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [19]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
cA
ydA y A is the
first moment of area.
where yc is the ycoordinate of the centroid.
sin
or
R c
R c
F Ay
F h A
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [20]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
hc is the vertical distance from the fluid surface to the centroid of the area.The magnitude of the resultant force is depend only on the specific weight of the fluid, the total area, and the depth of the centriod of the area. ORThe magnitude of the resultant force is equal to the pressure at the centriod of the area multiply by the total area.
The line of action of the resultant force is NOTpass through the centriod of the area.
R cF h A
22/11/49
11
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [21]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
The y coordinate of the resultant force can be determined by summation of moments around the x-axis.
2
2
2
sin
sin
since sin therefore
R RA A
A
R c
AR
c
F y ydF y dA
y dA
F Ay
y dAy
y A
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [22]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
The integral term is the second moment of the area (moment of inertia), Ix, thus
xR
c
Iy
y A
2by parallel axis theorem, x xc cI I Ay
xcR c
c
Iy y
y A
Similarly for xR,
sin
therefore
R RA
xyAR
c c
F x xydA
xydA Ix
y A y A
by parallel axis theorem
xyc
R c
c
Ix x
y A
22/11/49
12
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [23]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [24]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
22/11/49
13
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [25]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [26]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
22/11/49
14
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [27]
Hydrostatic Force on a Plane Surface
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [28]
Pressure Prism
The pressure prism is a geometric representation of the hydrostatic force on a plane surface.
When we draw pressure variation on depth, h, acting on area, A, the volume is the pressure prism.
The magnitude of the resultant fluid force is equal to the volume of the pressure prism and passes through its centroid.
22/11/49
15
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [29]
Pressure Prism
1
volume2 2
R
hF h bh A
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [30]
Pressure Prism
1 2RF F F 1 1 2 2R AF y F y F y
Magnitude: Line of action:
22/11/49
16
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [31]
Pressure Prism
Pressure prism for inclined surface
The resultant fluid force acting on a submerged area is affected by the pressure at free surface.
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [32]
Hydrostatic Force on a Curved Surface
The development of a free-body diagram of a suitable volume of fluid can be used to determine the resultant fluid force acting on a curved surface.
Although the resultant fluid force can be determined by integration, as was done for plane surface, this is generally a rather tedious process and no simple general formulas can be developed for nonplanar surface.
22/11/49
17
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [33]
Hydrostatic Force on a Curved Surface
An alternative approach is the consideration of the equilibrium of the fluid volume enclosed by the curved surface of interest and the horizontal and vertical projectionof this surface.
2
1
2 2
H
V
R H V
F F
F F
F F F
W
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [34]
Buoyancy
2 1BF F F W 2 1 2 1where F F h h A
2 1 2 1BF h h A h h A V
BF V
Archemedes’ principlestates that the buoyant force has a magnitude equal to the weight of the fluid displaced by the body and is directed vertically upward.
22/11/49
18
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [35]
Stability
Submerged or floating bodies can be either in a stable or unstable position.
The Stability of a body can be determined by considering what happens when it is displaced from its equilibrium position.
Submerged body
ผศ.ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดีภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น [36]
Stability
The determination of the stability of submerged or floating bodies can be difficult since the analysis depends in a complicated fashion on the particular geometry and weight distribution of the body.
Floating body