水力学第一章PPT学习教案

1、会计学1 水力学第一章水力学第一章 1.1 水力学的任务与研究对象水力学的任务与研究对象 水力学是一门技术科学，是力学的一个分水力学是一门技术科学，是力学的一个分 支，是水利类专业的一门重要的技术基础课。支，是水利类专业的一门重要的技术基础课。 研究水和其他液体在外力作用下的平衡与研究水和其他液体在外力作用下的平衡与 运动规律及其在实际工程中的应用。运动规律及其在实际工程中的应用。 任务任务 第1页/共34页 实际工程中的水力学问 题 第2页/共34页 水工建筑物的渗流问题水工建筑物的渗流问题 水对水工建筑物的作用力问题水对水工建筑物的作用力问题 第3页/共34页 河道水面曲线问题河道水面曲线

2、问题 水工建筑物下游的消能问水工建筑物下游的消能问 题题 水工建筑物的过水能力问水工建筑物的过水能力问题题 泄流量与闸孔开度、上游水头泄流量与闸孔开度、上游水头 和下游水深之间的关系和下游水深之间的关系 第4页/共34页 1.2 量纲和单位量纲和单位 1.2.1 量纲量纲 TMLAdim tml 量纲表示物理量的性质和类别量纲表示物理量的性质和类别 。 基本物理基本物理 量量 导出物理导出物理 量量 在国际单位制（在国际单位制（SI）中，水力学用到的基本物理）中，水力学用到的基本物理 量有长度、质量、时间，相应量纲分别为量有长度、质量、时间，相应量纲分别为L、M、 T。 任何一个导出物理量的量

3、纲可以表示为基本物理任何一个导出物理量的量纲可以表示为基本物理 量量纲的指数乘积形式量量纲的指数乘积形式 第5页/共34页 理论量纲系统（理论量纲系统（LMTLMT ）以长度、质量、时间作为基本物理量所 以长度、质量、时间作为基本物理量所 表示的量纲表示的量纲 实用量纲系统（实用量纲系统（LFTLFT ）以长度、力、时间作为基本物理量所表 以长度、力、时间作为基本物理量所表 示的量纲示的量纲 第6页/共34页 单位是量度物理量的基单位是量度物理量的基 准准 1.2.2 1.2.2 单位单位 LMTLMT量纲系统中的单位制称为绝对单位量纲系统中的单位制称为绝对单位 制制 某物理量与该物理量的单位

4、量的比值称为该物理某物理量与该物理量的单位量的比值称为该物理 量的大小。量的大小。 国际单位制（国际单位制（SISI ） CGS CGS单位制单位制 第7页/共34页 长度、质量、时间的单位分别为长度、质量、时间的单位分别为m m（ 米）、米）、kgkg（千克）、（千克）、 s s（秒），力的单位为（秒），力的单位为N N（牛（牛 顿），顿），1N = 1kg1N = 1kgm/sm/s2 2 长度、质量、时间的单位分别为长度、质量、时间的单位分别为cmcm （厘米）、（厘米）、g g（克）、（克）、 s s（秒），力的单位为（秒），力的单位为dyndyn （达因），（达因），1dyn = 1

5、g1dyn = 1gcm/scm/s2 2 力的单位为力的单位为kgfkgf（千克力）（千克力） 1kgf = 1kg1kgf = 1kg9.89.8m/sm/s2 2 = 9.8N = 9.8N 1N = 0.102kgf 1N = 0.102kgf 国际单位制国际单位制 CGSCGS单位制单位制 工程单位制工程单位制 第8页/共34页 1.3 1.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质 惯性与万有引力特性惯性与万有引力特性 压缩性压缩性 液体的汽化压液体的汽化压 强强 粘性粘性 表面张力表面张力 第9页/共34页 1.3.1 1.3.1 惯性与万有引力特性惯性与万有引力特性 物体所具有保

6、持运动速度和方向不变或在特物体所具有保持运动速度和方向不变或在特 殊情况下保持静止状态的性质，其大小由物体的殊情况下保持静止状态的性质，其大小由物体的 质量来量度。质量来量度。 物体抵抗改变其静止或匀速直线运动状物体抵抗改变其静止或匀速直线运动状 态的一种反作用力。态的一种反作用力。 质量为质量为m m的物体在地球上受到的万有引力称的物体在地球上受到的万有引力称 为重力。为重力。 mgG 惯惯 性性 惯性惯性 力力 重重 力力 maF 第10页/共34页 密度密度 密度的量纲为密度的量纲为M/LM/L3 3 ，单位为，单位为kg/mkg/m3 3 对于均质液体，对于均质液体， V M 单位体积

7、液体的质量称为质量密度单位体积液体的质量称为质量密度 ，简称密度，用，简称密度，用表示。表示。 质量密质量密 度度 第11页/共34页 单位体积液体具有的重量，简称为单位体积液体具有的重量，简称为 重度或容重，用重度或容重，用表示，量纲为表示，量纲为M/LM/L2 2T T2 2 ，单位为，单位为N/mN/m3 3。 对于均质液体对于均质液体， g V mg V G 重量密重量密 度度 第12页/共34页 液体的重量与它同体积的液体的重量与它同体积的44水水 的重量之比称为相对密度，也称为比重，的重量之比称为相对密度，也称为比重， 用用s s表示，无量纲，无单位表示，无量纲，无单位 ww s

8、相对密相对密 度度 第13页/共34页 液体的密度随温度和压强而变化，这种变液体的密度随温度和压强而变化，这种变 化很小，水力计算中常把水的密度视为常数化很小，水力计算中常把水的密度视为常数 。 密度的性密度的性 质质 一个标准大气压、温度为一个标准大气压、温度为44蒸馏水的密度蒸馏水的密度 ，在国际单位制中，取，在国际单位制中，取w w=1000 kg/m=1000 kg/m3 3 w w=9.8 kN/m=9.8 kN/m3 3 s sw w=1 =1 。 第14页/共34页 1.3.2 1.3.2 粘性粘性 粘滞粘滞 性性 当液体处在运动状态时，若液体质点之当液体处在运动状态时，若液体质

9、点之 间存在着相对运动，则质点间要产生间存在着相对运动，则质点间要产生内内 摩擦力摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为抵抗其相对运动，这种性质称为 液体的粘滞性。液体的粘滞性。 又称为粘滞力又称为粘滞力 第15页/共34页 牛顿平板实验牛顿平板实验 实验表明，两平板实验表明，两平板 上的液体质点粘附上的液体质点粘附 在平板上，在平板上，内摩擦内摩擦 应力（切应力）应力（切应力） dy du 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 相邻液层间单位面积上所作用的内摩擦力与流速梯度成相邻液层间单位面积上所作用的内摩擦力与流速梯度成 正比，同时与液体的性质有关。正比，同时与液体的性质有关。 dy du dy du

10、dt (u+du)dt 2 1 udt 应力图 o x(u) dy y y u u+du 图1.3.1 慢层 快层 变形图 u分布 动力粘度，简称粘度动力粘度，简称粘度 流速梯度流速梯度 单位面积上的内摩擦力单位面积上的内摩擦力 第16页/共34页 关于牛顿内摩擦定律的几点讨论关于牛顿内摩擦定律的几点讨论 tan() dudt dd dy ddu dtdy （2 2）粘度）粘度 反映液体的性质对摩擦力的影响反映液体的性质对摩擦力的影响。粘性大的。粘性大的 液体液体值大，粘性小的液体值大，粘性小的液体值小。值小。单位：单位：N N. .s/ms/m2 2或或PaPa. .s s。 粘度值的主要影

11、响因素有：液体的种类、液体的温度（对于液体，随温粘度值的主要影响因素有：液体的种类、液体的温度（对于液体，随温 度升高，粘度值减小；而对于气体，随温度的升高，粘度值增大）度升高，粘度值减小；而对于气体，随温度的升高，粘度值增大） 对于水，对于水，式中水温式中水温t t以以C C计，计，以以m m2 2/s/s计计 AB CDDC BA d dudt u+d uu dt d dy du dt d （1 1） 即即 切应力与液体的剪切变形速度（率切应力与液体的剪切变形速度（率 ）成正比）成正比 工程中常用，单位：工程中常用，单位：m m2 2/s/s，称为运动粘度。，称为运动粘度。 2 4 000

12、221. 00337. 01 1001775. 0 tt 第17页/共34页 （3 3）牛顿液体与非牛顿液体）牛顿液体与非牛顿液体 一般把符合牛顿内摩擦定律的液体称为牛顿液体（属于一般把符合牛顿内摩擦定律的液体称为牛顿液体（属于 水力学研究的范畴），反之称为非牛顿液体。水力学研究的范畴），反之称为非牛顿液体。 理想宾汉流体 牛顿流体 伪塑性流体 膨胀性流体 B C A D du/dy O 1 A A线牛顿液体线牛顿液体，当液体种类一定、温，当液体种类一定、温 度一定时，度一定时，=const =const ，切应力与剪切，切应力与剪切 变形速度成正比变形速度成正比 B B线理想宾汉液体线理想宾

13、汉液体，如泥浆、油漆等，如泥浆、油漆等 C C线拟塑性液体线拟塑性液体，如黏土、高分子化合，如黏土、高分子化合 物溶液等物溶液等 D D线线膨胀性膨胀性液液体体，如浓淀粉糊、浓糖溶，如浓淀粉糊、浓糖溶 液液 （4 4）理想液体与实际液体）理想液体与实际液体 第18页/共34页 1.3.3 压缩性压缩性 液体受压后体积减小，撤销压力后又恢复原状的液体受压后体积减小，撤销压力后又恢复原状的 性质称为压缩性。性质称为压缩性。 用用压缩系数压缩系数k k来表示液体的压缩性：来表示液体的压缩性： k k越大，表示液体越易压缩，单位：越大，表示液体越易压缩，单位：m m2 2/N/N或或PaPa-1 -1

14、 还可用还可用体积模量体积模量K K来表示压缩性的大小：来表示压缩性的大小： K K越大，表示液体越不易压缩，单位：越大，表示液体越不易压缩，单位：N/mN/m2 2 或或PaPa 水的压缩性很小，在水的压缩性很小，在1010时，时，K = 2K = 210109 9 N/m N/m2 2，即增加，即增加 一个大气压，水的体积相对压缩值为一个大气压，水的体积相对压缩值为2 2万分之一，故认为万分之一，故认为 水是不可压缩的液体（除水击问题）。水是不可压缩的液体（除水击问题）。 dp V dV k k K 1 第19页/共34页 1.3.4 表面张力表面张力 在两种不同流体介质的分界面以及液体同

15、固体的接触面上在两种不同流体介质的分界面以及液体同固体的接触面上 ，由于分界面两侧分子作用力的不平衡，使分界面上的流，由于分界面两侧分子作用力的不平衡，使分界面上的流 体分子间存在一个微小的拉力，宏观上表现为体分子间存在一个微小的拉力，宏观上表现为表面张力表面张力。 表面张力的大小表面张力的大小用表面张力系数用表面张力系数来表示，来表示，是指单位长度是指单位长度 周界上的拉力，单位：周界上的拉力，单位：N/mN/m，其随液体种类和温度变化而变，其随液体种类和温度变化而变 化。对于化。对于2020的水，的水，=0.073N/m=0.073N/m，对于水银，对于水银=0.514N/m=0.514N

16、/m。 表面张力只发生在液面周界处，作用方向表面张力只发生在液面周界处，作用方向垂直于周界垂直于周界 线且与液面相切线且与液面相切，大小为，大小为lTs 第20页/共34页 毛细现毛细现 象象 将细的玻璃管插入水中，水将沿细管上升一定的将细的玻璃管插入水中，水将沿细管上升一定的 高度，此现象称为高度，此现象称为毛细现象毛细现象。 产生毛细现象的原因产生毛细现象的原因：玻璃与水体之间的附着力：玻璃与水体之间的附着力 大于水体的内聚力而使液面呈凹形面，表面张力大于水体的内聚力而使液面呈凹形面，表面张力 向上引起水体上升。向上引起水体上升。 第21页/共34页 高为高为h h的液柱重量应与表面张力在

17、铅直方向上的的液柱重量应与表面张力在铅直方向上的 投影相平衡投影相平衡 毛细管上升高度毛细管上升高度 是液体与固体的接触角，是液体与固体的接触角， 水与玻璃的接触角水与玻璃的接触角w w=0=0- - 9 9 h d d 4 cos 2 d h cos4 A B G CD h d z 2 1 (a)(c)水银 (b)水 毛细高毛细高 度度 第22页/共34页 对于水银，玻璃与水银之间的附着力小于水银对于水银，玻璃与水银之间的附着力小于水银 的内聚力而使液面呈凸形面，表面张力产生指的内聚力而使液面呈凸形面，表面张力产生指 向水银内部的附加压强，因而压下了一个毛细向水银内部的附加压强，因而压下了一

18、个毛细 管高度。管高度。 水银与玻璃的接触角为钝角取水银与玻璃的接触角为钝角取 =140 =140 第23页/共34页 1.3.5 1.3.5 液体的汽化压强液体的汽化压强 液体的分子逸出液面变为蒸气向空间扩散的过液体的分子逸出液面变为蒸气向空间扩散的过 程称为程称为汽化汽化。 汽化与凝结过程同时存在，当两个过程达到平汽化与凝结过程同时存在，当两个过程达到平 衡时，宏观的汽化现象停止，此时液面的压强衡时，宏观的汽化现象停止，此时液面的压强 称为称为饱和蒸汽压强饱和蒸汽压强或或汽化压强汽化压强。 当液面空间有限时，随气体分子的增加，压强当液面空间有限时，随气体分子的增加，压强 逐渐增大，部分气体

19、分子返回液体，气体凝结逐渐增大，部分气体分子返回液体，气体凝结 为液体，这一过程称为为液体，这一过程称为凝结凝结。 液体的汽化压强随温度的升高而增大液体的汽化压强随温度的升高而增大 。 第24页/共34页 当液体中某处的压强低于当时温度下的汽化压当液体中某处的压强低于当时温度下的汽化压 强时，在此处将产生气泡，这种现象称为强时，在此处将产生气泡，这种现象称为空化空化。 当空化形成的气泡随流移动到高压区时迅速破当空化形成的气泡随流移动到高压区时迅速破 灭，这时将产生巨大的瞬间冲击力，使相接触的灭，这时将产生巨大的瞬间冲击力，使相接触的 固体壁面产生剥蚀，此现象称为固体壁面产生剥蚀，此现象称为空蚀

20、空蚀。 空化、空空化、空 蚀蚀 第25页/共34页 1.4 1.4 连续介质和理想液体的概念连续介质和理想液体的概念 假设液体是一种连续充满其所占据空间的无空假设液体是一种连续充满其所占据空间的无空 隙的连续体。隙的连续体。 描述液体运动的一切物理量在空间和时描述液体运动的一切物理量在空间和时 间上连续，可利用连续函数的分析方法来研究间上连续，可利用连续函数的分析方法来研究 液体的运动规律。液体的运动规律。 1.4.1 1.4.1 连续介质假定连续介质假定 水利工程中的水流运动都属于大尺度的水利工程中的水流运动都属于大尺度的 宏观水流运动，用连续介质概念处理，精度满宏观水流运动，用连续介质概念

21、处理，精度满 足工程要求。足工程要求。 原原 因因 意意 义义 第26页/共34页 1.4.2 1.4.2 理想液体概念理想液体概念 忽略液体粘性并将不具有粘性的液体称为理想忽略液体粘性并将不具有粘性的液体称为理想 液体。液体。 从理想液体入手来研究液体的运动规律从理想液体入手来研究液体的运动规律 在某些情况下可得到与实际非常吻合的结果。在某些情况下可得到与实际非常吻合的结果。 实际液体的运动也往往以理想液体运动规律为实际液体的运动也往往以理想液体运动规律为 基础加以修正。基础加以修正。 意意 义义 第27页/共34页 1.5 1.5 作用于液体上的力作用于液体上的力 按作用的按作用的 特点分

22、特点分 表面力表面力 质量力质量力 表面力是作用于液体的表面上，并表面力是作用于液体的表面上，并 与受作用的表面面积成正比的力与受作用的表面面积成正比的力 按表面力的作用方按表面力的作用方 向分向分 法向力（压力）法向力（压力） 切向切向 力力 质量力是指通过液体质量而起作用，其质量力是指通过液体质量而起作用，其 大小与质量成正比的力，重力、惯性力；大小与质量成正比的力，重力、惯性力； 质量力大小的度量质量力大小的度量 总质量力总质量力 单位质量力单位质量力 作用于单位质量液体作用于单位质量液体 上的质量力上的质量力 第28页/共34页 若一质量为若一质量为m m的均质液体，作用于其上的总质的均质液体，作用于其上的总质 量力为量力为F F，则所受的单位质量力为，则所受的单位质量力为 ，与加，与加 速度有一样的量纲速度有一样的量纲L/TL/T2 2 。 若总质量力若总质量力F F在空间坐标上的投影分别为在空间坐标上的投影分别为FxFx、 FyFy、FzFz、，单位质量力在相应坐标上的投影为、，单位质量力在相应坐标上的投影为 X X、Y Y、Z Z，则有，则有 F f m , y xz F FF XYZ mmm 单位质量单位质量 力力 第29页/共34页 1.6 水力学的研究方法水力学的研究方法 第30页/共34页 例题例题 例例1.3.1 1.3.1 液体在平板