水力学课件：绪论.ppt

n水力学课件 第一章 绪论 （一）课程地位 水力学是一门重要的专业基 础课程，它是连接前期基础课程和后续专业课程 的桥梁。课程的学习将有利于力学基础知识的巩 固与提高，培养分析、解决实际问题的能力，为 专业课程的学习打下坚实基础。 一.课程的性质和任务 第一章 绪论 力学 基础课程 水力学 专业基础课程 水利学科 有关专业课程 （二）水力学研究的对象 n1.水力学的定义： n 水力学是研究液体处于静止和运动状态 下的力学规律，并探讨运用这些规律解决工 程实际问题的一门科学。水力学又是力学的 一个分支。 n2. 水力学的任务： n 研究以水为代表的，液体机械运动规律 及其在工程中的应用。 （三）水力学由以下内容构成 水力学所研究的基本规律：两大主要 组成部分，水静力学和水动力学。 水静力学：关于液体平衡的规律，它研 究液体处于静止（或相对平衡）状态时，作 用于液体上的各种力之间的关系。 水动力学：关于液体运动的规律，它研究 液体在运动状态时，作用于液体上的力与运动 要素之间的关系，以及液体的运动特性与能量 转换等等。 研究对象：液体及不可压缩气体。 （四）水力学的在工程中的应用 1.确定水工建筑物所受的水力荷载 f v v f 2.确定水工建筑物过水能力 3.分析水流流动形态 4.确定水流能量消耗和利用 农村小型自来水厂 三峡大坝泄洪 5.特殊的水力学问题 某污水处理厂 二.液体的基本特征与连续介质的概念 n1.液体的基本特性 ： 液体与固体的主要区别在于易流动性 ，而液体与气体的主要区别在于是否具有 可压缩性。 因此液体易流动性、不易压缩的特性使 液体有许多与固体和气体不同的运动特征 。 2.连续介质的概念 连续介质的概念： 即假设液体是一种连续充 满其所占据空间毫无空隙的连续体。 特点：液体中的一切物理量都可以视为空间 坐标和时间的连续函数，因此可采用连续函 数的分析方法。 长期的生产和科学实验证明：利用连续 介质假定所得出的有关液体运动规律的基本 理论与客观实际是十分符合的。 因此液体的基本特性是：易流动性、不 易压缩、均匀等向的连续介质。 三.液体的主要物理性质 1.惯性、质量与密度 惯性力：当液体受外力作用使运动状态发 生改变时，由于液体的惯性引起对外界抵 抗的反作用力。 单位：n 密度：是指单位体积液体所含有的质量 。 国际单位：kg/m3 一个标准大气压下，温度为4，水密度 为1000kg/m3 。 2.万有引力特性，重力与容重 万有引力：是指任何物体之间相互具有吸引 力的性质，其吸引力称为万有引力。 重力：地球对物体的引力称为重力 ，或称为重量。 大小为：gmg， g：重力加速度。 液体的容重：是指单位体积液体所具 有的重量。 国际单位： nm3 3.粘滞性 粘滞性及粘滞力粘滞性及粘滞力 ：当液体处在运动状当液体处在运动状 态时，若液体质点之态时，若液体质点之 间存在着相对运动，间存在着相对运动， 则质点间要产生内摩则质点间要产生内摩 擦力抵抗其相对运动擦力抵抗其相对运动 ，这种性质称为液体，这种性质称为液体 的粘滞性，此内摩擦的粘滞性，此内摩擦 力又称为粘滞力。力又称为粘滞力。 牛顿内摩擦定律 ： 或 流速梯度 为动力粘滞系数 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律：作层流运动的液体：作层流运动的液体 ，相互邻近层间单位面积上所作用的内摩，相互邻近层间单位面积上所作用的内摩 擦力（或粘滞力），与流速梯度成正比，擦力（或粘滞力），与流速梯度成正比， 同时与液体的性质无关。同时与液体的性质无关。 为运动粘滞系数，国际单位：m2/s n牛顿内摩擦定律的适用条件 ： n 层流运动和牛顿液体。 n粘滞性是产生水头损失的根本原因 n例题一极薄的平板，在厚度分别为4cm的两种 油层中以 的速度运动。已知上层 动力粘滞系数为下层的动力粘滞系数2倍，两 油层在平版上产生的总切应力为 n。试求上、下油层的动力粘滞系数。 n解： 4cm 4cm平版 u 4. 液体的压缩性 压缩性：液体受压后体积要缩小，压 力撤除后也能恢复原状，这种性质称为液 体的压缩性或弹性。 用体积压缩率或体积模量k来描述液体 的压缩性。 为体积压缩系数 ，单位为m2/n k值越大，表示 液体愈不容易压缩。 对一般水利工程来说 ，可认为水不可压缩 的。但在有压管道中 水击计算时，则必须 考虑水的压缩性。 5. 液体的表面张力 表面张力：自由 表面上液体分子由一 受两侧分子引力不平 衡，使自由面上液体 分子受有极其微弱的 拉力 表面张力仅在自 由表面存在，液体内 部并不存在。 表面张力示意图 毛细管现象 6.汽化压强 汽化压强是指液体汽化和凝结达 到平衡时液面的压强。汽化压强随液 体的种类和温度的不同而改变。水利 工程中的空化现象与液体的汽化压强 有关，需要注意。 综上所述，液体的惯性、重力特 性和粘滞性对液体运动有重要的影响 ，而液体的可压缩性、表面张力和汽 化压强只有在特殊问题中才需要考虑 ，请注意区分。 7.理想液体的概念 在水力学中液体分为理想液体和实际液 体。 理想液体：就是把水看作绝对不可压缩 、不能膨胀、没有粘滞性、没有表面张力的 连续介质。 有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际 液体的最主要差别。 四.作用在液体上的力 按物理性质：重力、惯性力、弹性力 、摩擦力、表面张力。 按特点分：表面力和质量力。 1.表面力 作用于液体的表面，其大小与受作用 的表面面积成比例的力，称为表面力。如 摩擦力、水压力、边界对液体的反作用力 2.质量力 质量力是作用在每个液体质点上其大小 与液体的质量成正比。如重力、惯性力。 单位质量液体所受到的质量力，称为 单位质量力，用 表示。 单位质量力在三个坐标轴的投影 五.水力学的研究方法 1.理论分析 2.科学试验 经典力学的基本原理： 牛顿的三大定律、动量定律、动能定律 水流运动的基本方程式： 连续性方程、能量方程、动量方程 1.理论分析 2.科学试验 （1）原型观测 （2）模型试验 （3）系统试验 （4）数值模拟 （1）原型观测 在野外或水工建筑物现场，对水流运动 进行观测，收集第一性资料，为检验理论分 析成果或总结某些基本规律提供依据。 （2）模型试验 当实际水流运动复杂，而理论分析困难，无法 解决实际工程的水力学问题时采用。 指在实验室内，以水力相似理论为指导，把实 际工程缩小为模型，在模型上预演相应的水流运动 ，得出模型水流的规律性，再把模型试验成果按照 相似关系换算为原型的成果以满足工程设计的需要 （3）系统试验 在实验室内，小规模的造成某种水流运动，用 已进行系统的实验观测，从中找到规律。 数理知识 数据处理方法 量纲分析方法 （4）数值模拟 通过求解水流的运动方程来得到模拟区域 内任意时刻任意位置力和运动要素的值。 先进性：采用计算机、流体计算软件等高新技 术。 经济性：可给定不同的边界条件，进行大量的 模拟，给出足够多的力和运动要素值以进行分 析。 本章小结 1. 水力学的定义。 2水力学的任务：研究以水为代表 的机械运动规律及其在工程中的应用。 3液体的基本特性：易流动性、不 易压缩、均匀等向的连续介质。 4液体的主要物理特征：惯性.重力特 性.均质液体的质量与密度.粘滞性.压缩