水力学第一章 绪论

1、n水力学课件水力学课件第一章第一章 绪论绪论（一）课程地位（一）课程地位 水力学是一门重要的专业基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础课程，它是连接前期基础课程和后续专业课程的的桥梁桥梁。课程的学习将有利于力学基础知识的巩。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。专业课程的学习打下坚实基础。一一. .课程的性质和任务课程的性质和任务 力学力学 基础课程基础课程水力学水力学专业基础课程专业基础课程水利学科水利学科有关专业课程有关专业课程（二）水力学研究的对象（

2、二）水力学研究的对象1.1.水力学的定义：水力学的定义： 水力学是研究液体平衡和机械运动规律水力学是研究液体平衡和机械运动规律及其应用的一门科学。它是力学的一个分支。及其应用的一门科学。它是力学的一个分支。2.2. 水力学的任务：水力学的任务： 研究以水为代表的，液体机械运动规律研究以水为代表的，液体机械运动规律及其在工程中的应用。及其在工程中的应用。 （三）水力学的在工程中的应用（三）水力学的在工程中的应用 1.1.确定水工建筑物所受的水力荷载确定水工建筑物所受的水力荷载Fv vF2.2.确定水工建筑物过水能力确定水工建筑物过水能力3.3.分析水流流动形态分析水流流动形态4.4.确定水流能量

3、消耗和利用确定水流能量消耗和利用农村小型自来水厂农村小型自来水厂三峡大坝泄洪三峡大坝泄洪5.5.特殊的水力学问题特殊的水力学问题某污水处理厂某污水处理厂二、水力学由以下内容构成二、水力学由以下内容构成两大主要组成部分，水静力学和水动力学。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。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

4、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之间的关系，以及液体的运动特性与能量转换等等。等等。三三. .液体的基本特征与连续介质的概念液体的基本特征与连续介质的概念1.1.液体的基本特征：液体的基本特征： 液体与固体的主要区别在于液体与固体的主要区别在于易流动性易流动性，而，而液体与气体的主要区别在于是否具有液体与气体的主要区别在于是否具有可压缩性可压缩性。 因此液体因此液体易流动性易流动性、不易压缩不易压缩的特性使液体的特性使液体有许多与固体和气体不同的运动特征。有许多与固体和气体不同的运动特征。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即假

5、设液体是一种连续充满其所占据空间毫无空隙的连续体。满其所占据空间毫无空隙的连续体。特点特点：液体中的一切物理量都可以视为：液体中的一切物理量都可以视为空间空间坐标和时间坐标和时间的连续函数，因此可采用连续函的连续函数，因此可采用连续函数的分析方法。数的分析方法。 长期的生产和科学实验证明：利用连续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。理论与客观实际是十分符合的。2.2.连续介质的概念连续介质的概念四四. .液体的主要物理性质液体的主要物理性质1.1.惯性，质量与密度惯性，质量与密度惯性力：当液体

6、受外力作用使运动状态发惯性力：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生改变时，由于液体的惯性引起对外界抵抗的反作用力。抗的反作用力。Fma 单位：单位：N N密度：是指单位体积液体所含有的质量。密度：是指单位体积液体所含有的质量。 物质三态物质三态的共同性的共同性质质国际单位：国际单位：kg/mkg/m3 3Vm一个标准大气压下，温度为一个标准大气压下，温度为44，水密度为，水密度为1000kg/m1000kg/m3 3 。2.万有引力特性，重力与容重万有引力特性，重力与容重万有引力万有引力：是指任何物体之间相互具有吸引：是指任何物体之间相互具有吸引力的性质，其吸引力

7、称为万有引力。力的性质，其吸引力称为万有引力。重力重力：地球对物体的引力称为重力，或称为重：地球对物体的引力称为重力，或称为重量。大小为：量。大小为：G GMgMg， g g：重力加速度。：重力加速度。 液体的容重：是指单位体积液体所具有液体的容重：是指单位体积液体所具有的重量。的重量。 国际单位：国际单位： N Nm m3 339.8GmgVVKN m 物质三态物质三态的共同性质的共同性质3.3.粘滞性粘滞性 固体与液固体与液体的主要区体的主要区别别牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：duTAdydudy或或dydu流速梯度流速梯度为动力粘滞系数为动力粘滞系数 ，国际单位：，国际单位：N.s/m

8、N.s/m2 2 为运动粘滞系数，国际单位：为运动粘滞系数，国际单位：m m2 2/s/s牛顿内摩擦定律的适用条件：牛顿内摩擦定律的适用条件：层流运动层流运动和和牛顿流体牛顿流体。 在水力学中液体分为在水力学中液体分为理想液体理想液体和和实际液体实际液体： 理想液体：理想液体：就是忽略粘性效应的液体。就是忽略粘性效应的液体。 实际液体：实际液体：粘性液体。粘性液体。 有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主要差别。要差别。理想宾汉流体理想宾汉流体 牛顿流体牛顿流体 伪塑性流体伪塑性流体 膨胀性流体膨胀性流体 BCADdu/dyO1牛顿流体牛顿流体

9、：就是符合牛顿就是符合牛顿内摩擦定律得流体。内摩擦定律得流体。 例题：一极薄的平板，在厚度分别为例题：一极薄的平板，在厚度分别为4cm4cm的两种的两种油层中以油层中以 的速度运动。已知上层动的速度运动。已知上层动力粘滞系数为下层的动力粘滞系数力粘滞系数为下层的动力粘滞系数2 2倍，两油层倍，两油层在平板上产生的总切应力为在平板上产生的总切应力为 试求上、下油层的动力粘滞系数。试求上、下油层的动力粘滞系数。0 .8ums230mN4cm4cm平版ududy下上2230 1.5202011.0/0.5/202N s mN s m上下下上解：解： 2 0d uulsd yyd ud y下上4cm4

10、cm平版u4. 液体的液体的压缩性压缩性dVVdp 为体积压缩系数，单为体积压缩系数，单位为位为m m2 2/N/N压缩性：压缩性：液体受压后体积要缩小，压力撤除后也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。能恢复原状，这种性质称为液体的压缩性或弹性。 用体积压缩率用体积压缩率 或体积模量或体积模量K K来描述液体的压缩来描述液体的压缩性。性。 气体与液气体与液体的主要体的主要区别区别n体积压缩率体积压缩率: :1K K K值越大，表示液体愈不容易压缩。对一般水值越大，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。但在有压管道利工程来说，可认

11、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。中水击计算时，则必须考虑水的压缩性。温度在温度在100C时，水的体积弹性系数时，水的体积弹性系数 K=2.11x106kN/m2n体积模量体积模量K:K:5. 液体的液体的表面张力表面张力 表面张力：自由表面上液体分子由于受两表面张力：自由表面上液体分子由于受两侧分子引力不平衡，使自由面上液体分子受有侧分子引力不平衡，使自由面上液体分子受有极其微弱的拉力。极其微弱的拉力。 表面张力仅在自由表面存在，液体内部并表面张力仅在自由表面存在，液体内部并不存在不存在。表面张力示意图表面张力示意图毛细管现象毛细管现象综上所述，液体的综上所述，

12、液体的惯性惯性、重力特性重力特性和和粘滞性粘滞性对液体运动有重要的影响，而对液体运动有重要的影响，而液体的液体的可压缩性可压缩性、表面张力表面张力等只有在等只有在特殊问题中才需要考虑，请注意区分。特殊问题中才需要考虑，请注意区分。水力学研究：水力学研究：1、把水看作不可压缩、没有表面张力，、把水看作不可压缩、没有表面张力，连续介质假设下忽略粘滞性的连续介质假设下忽略粘滞性的理想液体理想液体；2、或把水看作不可压缩、没有表面张力，、或把水看作不可压缩、没有表面张力，连续介质假设下，粘滞性不忽略的连续介质假设下，粘滞性不忽略的实际液实际液体体。五五. .作用在液体上的力作用在液体上的力 按物理性质

13、：重力、惯性力、压力、按物理性质：重力、惯性力、压力、拉力、摩擦力、表面张力。拉力、摩擦力、表面张力。 按特点分：按特点分：表面力表面力和和质量力质量力。1.表面力表面力 作用于液体的表面，其大小与受作用的作用于液体的表面，其大小与受作用的表表面面积面面积成比例的力，称为表面力。如液体内部成比例的力，称为表面力。如液体内部摩擦力、水压力。摩擦力、水压力。2.质量力质量力MFf 质量力是作用在每个液体质点上其大小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。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，称为单位质量液体所受到的质量力，称为单位质量力，用

14、单位质量力，用 表示。表示。fMFfxxMFfyy单位质量力在三个坐标轴的投影单位质量力在三个坐标轴的投影MFfzz六六. .水力学的研究方法水力学的研究方法1.1.理论分析理论分析2.2.科学试验科学试验经典力学的基本原理：经典力学的基本原理：牛顿的三大定律、质量守恒、动量定律、动能定律牛顿的三大定律、质量守恒、动量定律、动能定律水流运动的基本方程式：水流运动的基本方程式：连续性方程、能量方程、动量方程连续性方程、能量方程、动量方程1.理论分析理论分析（1 1）原型观测）原型观测（2 2）模型试验）模型试验（3 3）系统试验）系统试验（4 4）数值模拟）数值模拟2.科学试验科学试验本章小结本章小结1 1水力学的定义及任务：研究以水为代水力学的定义及任务：研究以水为代表的机械运动规律及其在工程中的应用。表的机械运动规律及其在工程中的应用。2 2液体的基本特征：易流动性、不易压液体的基本特征：易流动性、不易压缩、均匀等向的连续介质。缩、均匀等向的连续介质。3 3液体的主要物理性质：惯性、重力特液体的主要物理性质：惯性、重力特性、均质液体的质量与密度、粘滞性、性、均质液体的质量与密度、粘滞性、压缩性、表面张力特性等。压缩性、表面张力特性等。 其中粘滞性是本章的重点，掌握牛顿内摩擦定律的物其中粘滞性是本章的重点，掌握牛顿内摩擦定律的物理意义，其适