第一章水力学绪论.ppt

第一章绪论 教学目的 要求本章概要介绍液体的特性 连续性介质 主要物理性质和作用于液体上的力1 粘性是本章的重点和难点 在理解粘性概念的基础上 掌握牛顿内摩擦定律 理解动力粘度和运动粘度的意义 3 了解连续介质模型以及粘度随温度的变化规律 力学 第一节课程概述 水力学的学科性质 研究对象力学问题载体 宏观力学分支遵循三大守恒原理 流体力学 水力学 流体 水 力学 强调水是主要研究对象比较偏重于工程应用 1 水力学的概念水力学就是研究以水为代表的液体机械运动规律及其在实际应用的科学 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 第一 水力学虽以水为研究对象 但其基本原理同样适用于一般常见的液体和可以忽略压缩性影响的气体 第二 水力学的主要研究内容是在外力作用下 静止与运动的规律 液体与边界的相互作用 第三 水力学研究的目的在于应用 定义概括了三个涵义 以上这些问题 彼此不是孤立的 也不是水力学问题的全部 还有一些特殊的水力学问题 比如挟沙水流 高速水流 波浪运动 水资源的污染以及水力学模型试验等 要解决上述水力学问题 就必须研究水流运动的基本规律 液体 气体与固体的主要区别是什么 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 呈现流动性 流体 固体 流体最主要的物理特性 1 易流动性静止的流体不能承受剪切应力 固体能够承受一定的剪切应力 流体的宏观性质 2 粘性流体抵抗变形的性质 为粘性 3 压缩性流体质点的体积或密度在一定压力差或温度差下可以改变的性质 为压缩性 水力学中研究的液体是一种易流动 不易压缩 粘性很小 均质等向的连续介质 流体运动的三大要素 流体 运动 力 2 水力学的任务及其在工程中的应用 一 水流对建筑物的作用力问题 水力荷载问题 确定建筑物所受的静水总压力 动水总压力 为建筑物的结构设计 稳定分析提供依据 二 建筑物的过流能力和尺寸问题水流在通过管道 引水 输水以及闸坝等建筑物时 在单位时间内通过断面的水量就称为流量 它是确定建筑物的型式和尺寸的基本依据 三 水能利用和消能问题为充分利用水流能量 减少引水 输水中的能量损失 或者为了削弱 消减高速水流对下游河床的冲刷 保证建筑物的安全 就必须分析研究水流运动过程中水能利用和消能问题 三峡大坝泄洪 农村小型自来水厂 四 河渠的水面曲线计算问题 在河道上筑坝设闸后 上游水位将沿河道抬高并形成水库 导致河道两岸的大片土地受到淹没 要确定水库的淹没范围 就必须解决河渠水面曲线的计算问题 五 建筑物的渗流问题 确定建筑物透水坝体和建筑物透水地基中的扬压力等 六 水工建筑物中水流形态问题 1 连续介质假设 个分子 1cm3空气 标准状态下 宏观上看 液体质点足够小 只占据一个空间几何点 体积趋于零 微观上看 液体质点是一个足够大的分子团 包含了足够多的液体分子 第二节液体的主要物理性质 以密度为例 考察物理量是怎样定义在液体质点上的 若液体微团的体积为 V 质量为 m 则液体质点密度为 连续介质假设将液体区域看成由液体质点连续组成 占满空间而没有间隙 其物理特性和运动要素在空间是连续分布的 连续介质假设 连续介质假设是近似的 宏观的假设 把液体视为连续介质后 液体运动中物理量都视为空间坐标和时间的连续函数 其中 V 0的含义应理解为液体微团趋于液体质点 2 液体的主要物理性质 1 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 2 质量 物体惯性大小的度量 3 密度 是指单位体积液体所具有的质量 注意 在工程计算中 水的密度和容重视为常数 采用一个标准大气压下 温度为4 时纯净水密度来计算 4 重力 地球对物体的引力称为重力 或称为重量 5 液体的容重 是指单位体积液体所具有的重量 3 液体的黏滞性 运动液体具有抵抗剪切变形的能力 这就是黏滞性 值得强调的是 这种抵抗体现在剪切变形的快慢上 在剪切变形中 液体内部出现成对的切应力 称为内摩擦力 来抵抗相邻两层液体之间的相对运动 21 流体在静止时不能承受剪切力 抵抗剪切变形 流体只有在运动状态下 当流体质点之间有相对运动时 才能抵抗剪切变形 只要有剪切力的作用 流体就不会静止下来 发生连续变形而流动 作用在流体上的剪切力不论多么微小 只要有足够的时间 便能产生任意大的变形 运动流体抵抗剪切变形的能力 产生剪切应力的大小 体现在变形的速率上 而不是变形的大小 牛顿内摩擦定律 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擦力 或黏滞力 与流速梯度成正比 同时与液体的性质有关 牛顿内摩擦定律告诉我们 切应力 和剪切 角 变形速率之间存在正比例关系比例系数 称为动力黏性系数 是黏性流体的物理属性 对于如图的平面流动 流体速度u都沿x方向 且不随x变化 只随y变化 两层流体之间存在相对运动和剪切 角 变形 同时也出现成对的切应力 流动快的一层要带动流动慢的一层 而流动慢的一层则要阻碍流动快的一层 它起到抵抗剪切变形的作用 容易解释为什么是剪切 角 变形速率 它表示流体直角减小的速度 满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体 否则称为非牛顿流体 25 B 泥浆 血液等 只有剪切力达到某一值时 才开始剪切变形 C 尼龙 橡皮的溶液 颜料 油漆等 黏滞系数随剪切变形速度的增加而减小 D 生面团 浓淀粉糊等 黏滞系数随剪切变形速度的增加而增加 26 形成牛顿内摩擦力物理机理 分子间的吸引力 分子运动引起液体层间的动量交换 液体以此为主 气体以此为主 随着温度升高 液体的黏性系数下降 气体的黏性系数上升 今后在谈及黏性系数时一定指明当时的温度 运动黏性系数 具有运动学量纲 理想流体假设 理想流体假设是忽略黏性影响的假设 可近似反映黏性作用不大的实际流动 黏性作用不大是相对于其它因素的作用而言的 而 是流体的客观属性 所以往往是在变形速率不大的区域将实际流体简化为理想流体 我们将会看到 是否忽略黏性影响将对流动问题的处理带来很大的区别 理想流体假设可以大大简化理论分析过程 忽略黏性影响实际上就是忽略切应力 切应力 计算平板上所受的内摩擦力 h1 h2 H 4 液体的压缩性 液体能承受压力 在受外力压缩变形时 产生内力 弹性力 予以抵抗 并在撤除外力后恢复原形 液体的这种性质称为压缩性 V V V p p p 将相对压缩值与压强增量之比值称为压缩系数 其倒数称为体积弹性系数 K越大 越不易被压缩 液体的K随温度和压强而变 随温度变化不显著 液体的K值很大 除非压强变化很剧烈 很迅速 一般可不考虑压缩性 作不可压缩流体假设 即认为液体的K值为无穷大 密度为常数 但若考虑水下爆炸 水击问题时 则必须考虑压缩性 5 表面张力 毛细现象 液体的物理性质 1 惯性 质量与密度 2 万有引力特性 重力与容重 3 粘滞性 4 压缩性 5 表面张力 第三节作用在液体上的力 按力的作用方式分为 表面力 质量力 一 表面力 表面力分布在液体面上 是一种接触力 表面力 指作用于液体表面 并与受作用的液体表面积成比例的力 设面积为 A的流体面元 法向为n 指向表面力受体外侧 所受表面力为 P 则应力 的含义为面元趋于面元上的某定点 所以应力是定义在流体面上一点处的 同一点处的应力还与作用面的方位有关 所以须将作用面的法向用脚标指明 A 0 应力pn是矢量 可向作用面的法向或切向投影 分解成压应力和切应力 凡谈及应力 应注意明确以下几个要素 哪一点的应力 哪个方位作用面上的应力 作用面的哪一侧流体是研究对象 表面力的受体 从而决定法线的指向 应力在哪个方向上的分量 质量力分布在液体质量上 质量力的定义 作用于液体的每个质点上 并与受作用的液体质量成比例的力 单位质量力 作用在单位质量液体上的质量力 二 质量力 第四节水力学的研究方法 1 理论分析 经典力学为基础 2 科学试验 1 原型观测 2 模型试验 3 系统实验3 数值模拟和数值计算 1 理解连续介质和理想液体的概念 2 掌握液体的基本特征和主要物理性质 特别是液体的黏滞性和牛顿内摩擦定律及其应用条件 3 理解作用在液体上的两种力 学习重点 思考题 1液体的基本特征是什么 它与气体 固体有什么区别 2