水力学系统讲义第一章-水力学的任务

1.1水力学的任任务与研究究对象水力学是一一门技术科科学，是力力学的一个个分支，是是水利类专专业的一门门重要的技技术基础课课。研究水和其其他液体在在外力作用用下的平衡衡与运动规规律及其在在实际工程程中的应用用。任务实际工程中中的水力学学问题水工建筑物物的渗流问问题水对水工建建筑物的作作用力问题题河道水面曲曲线问题水工建筑物物下游的消消能问题水工建筑物物的过水能能力问题泄流量与闸闸孔开度、、上游水头头和下游水水深之间的的关系1.2量纲和单位位1.2.1量纲量纲表示物物理量的性性质和类别别。基本物理量量导出物理量量在国际单位位制（SI）中，水力力学用到的的基本物理理量有长度度、质量、、时间，相相应量纲分分别为L、M、T。任何一个导出出物理量的量量纲可以表示示为基本物理理量量纲的指指数乘积形式式理论量纲系统统（LMT）以长度、质量量、时间作为为基本物理量量所表示的量量纲实用量纲系统统（LFT）以长度、力、、时间作为基基本物理量所所表示的量纲纲单位是量度物物理量的基准准1.2.2单位LMT量纲系统中的的单位制称为为绝对单位制制某物理量与该该物理量的单单位量的比值值称为该物理理量的大小。。国际单位制（（SI）CGS单位制长度、质量、、时间的单位位分别为m（米）、kg（千克）、s（秒），力的的单位为N（牛顿），1N=1kg·m/s2长度、质量、、时间的单位位分别为cm（厘米）、g（克）、s（秒），力的的单位为dyn（达因），1dyn=1g·cm/s2力的单位为kgf（千克力）1kgf=1kg××9.8m/s2=9.8N1N=0.102kgf国际单位制CGS单位制工程单位制1.3液体的主要物物理性质惯性与万有引引力特性压缩性液体的汽化压压强粘性表面张力1.3.1惯性与万有引引力特性物体所具有保保持运动速度度和方向不变变或在特殊情情况下保持静静止状态的性性质，其大小小由物体的质质量来量度。。物体抵抗改变变其静止或匀匀速直线运动动状态的一种种反作用力。。质量为m的物体在地球球上受到的万万有引力称为为重力。惯性惯性力重力密度密度的量纲为为[M/L3]，单位为kg/m3对于均质液体体，单位体积液体体的质量称为为质量密度，，简称密度，，用ρ表示。质量密度单位体积液体体具有的重量量，简称为重重度或容重，，用γ表示，量纲为为[M/L2T2]，单位为N/m3。对于均质液体体，重量密度液体的重量与与它同体积的的4℃水的重量之比比称为相对密密度，也称为为比重，用s表示，无量纲纲，无单位相对密度液体的密度随随温度和压强强而变化，这这种变化很小小，水力计算算中常把水的的密度视为常常数。密度的性质一个标准大气气压、温度为为4℃蒸馏水的密度度，在国际单单位制中，取取ρw=1000kg/m3γw=9.8kN/m3sw=1。1.3.2粘性粘滞性当液体处在运运动状态时，，若液体质点点之间存在着着相对运动，，则质点间要要产生内摩擦力抵抗其相对运运动，这种性性质称为液体体的粘滞性。。又称为粘滞力力牛顿平板实验验实验表明，两两平板上的液液体质点粘附附在平板上，，内摩擦应力（（切应力）牛顿内摩擦定定律相邻液层间单单位面积上所所作用的内摩摩擦力与流速速梯度成正比比，同时与液液体的性质有有关。动力粘度，简简称粘度流速梯度单位面积上的的内摩擦力关于牛顿内摩摩擦定律的几几点讨论（2）粘度——反映液体的性性质对摩擦力力的影响。粘性大的液液体μ值大，粘性小小的液体μ值小。单位：N.s/m2或Pa.s。粘度值的主要要影响因素有有：液体的种种类、液体的的温度（对于于液体，随温温度升高，粘粘度值减小；；而对于气体体，随温度的的升高，粘度度值增大）对于水，式中水温t以°C计，ν以m2/s计ABCDD′C′B′A′dθdudtu+duu（1）即切应力与液体体的剪切变形形速度（率））成正比工程中中常用用，单单位：：m2/s，称为为运动动粘度度。（3）牛顿顿液体体与非非牛顿顿液体体一般把把符合合牛顿顿内摩摩擦定定律的的液体体称为为牛顿顿液体体（属属于水水力学学研究究的范范畴）），反反之称称为非非牛顿顿液体体。理想宾汉流体

牛顿流体

伪塑性流体

膨胀性流体

BηCADdu/dyτO1A线牛顿顿液体体，当液液体种种类一一定、、温度度一定定时，，μ=const，切应应力与与剪切切变形形速度度成正正比B线理想想宾汉汉液体体，如泥泥浆、、油漆漆等C线拟塑塑性液液体，如黏黏土、、高分分子化化合物物溶液液等D线膨胀性性液体，如浓浓淀粉粉糊、、浓糖糖溶液液（4）理想想液体体与实实际液液体1.3.3压缩性性液体受受压后后体积积减小小，撤撤销压压力后后又恢恢复原原状的的性质质称为为压缩缩性。。用压缩系系数k来表示示液体体的压压缩性性：k越大，，表示示液体体越易易压缩缩，单单位：：m2/N或Pa-1还可用用体积模模量K来表示示压缩缩性的的大小小：K越大，，表示示液体体越不不易压压缩，，单位位：N/m2或Pa水的压压缩性性很小小，在在10℃℃时，K=2×109N/m2，即增增加一一个大大气压压，水水的体体积相相对压压缩值值为2万分之之一，，故认认为水水是不不可压压缩的的液体体（除除水击击问题题）。。1.3.4表面张张力在两种种不同同流体体介质质的分分界面面以及及液体体同固固体的的接触触面上上，由由于分分界面面两侧侧分子子作用用力的的不平平衡，，使分分界面面上的的流体体分子子间存存在一一个微微小的的拉力力，宏宏观上上表现现为表面张张力。表面张张力的的大小小用表面面张力力系数数σ来表示示，σ是指单单位长长度周周界上上的拉拉力，，单位位：N/m，其随随液体体种类类和温温度变变化而而变化化。对对于20℃℃的水，，σ=0.073N/m，对于于水银银σ=0.514N/m。表面张张力只只发生生在液液面周周界处处，作作用方方向垂直于于周界界线且且与液液面相相切，大小小为毛细现现象将细的的玻璃璃管插插入水水中，，水将将沿细细管上上升一一定的的高度度，此此现象象称为为毛细现现象。产生毛毛细现现象的的原因因：玻璃璃与水水体之之间的的附着着力大大于水水体的的内聚聚力而而使液液面呈呈凹形形面，，表面面张力力向上上引起起水体体上升升。高为h的液柱柱重量量应与与表面面张力力在铅铅直方方向上上的投投影相相平衡衡毛细管管上升升高度度θ是液体体与固固体的的接触触角，，水与与玻璃璃的接接触角角θw=0°°-9°毛细高高度对于水水银，，玻璃璃与水水银之之间的的附着着力小小于水水银的的内聚聚力而而使液液面呈呈凸形形面，，表面面张力力产生生指向向水银银内部部的附附加压压强，，因而而压下下了一一个毛毛细管管高度度。水银与与玻璃璃的接接触角角为钝钝角取取θ=140°°1.3.5液体的的汽化化压强强液体的的分子子逸出出液面面变为为蒸气气向空空间扩扩散的的过程程称为为汽化。汽化与与凝结结过程程同时时存在在，当当两个个过程程达到到平衡衡时，，宏观观的汽汽化现现象停停止，，此时时液面面的压压强称称为饱和蒸蒸汽压压强或汽化压压强。当液面面空间间有限限时，，随气气体分分子的的增加加，压压强逐逐渐增增大，，部分分气体体分子子返回回液体体，气气体凝凝结为为液体体，这这一过过程称称为凝结。液体的的汽化化压强强随温温度的的升高高而增增大。。当液体体中某某处的的压强强低于于当时时温度度下的的汽化化压强强时，，在此此处将将产生生气泡泡，这这种现现象称称为空化。当空化化形成成的气气泡随随流移移动到到高压压区时时迅速速破灭灭，这这时将将产生生巨大大的瞬瞬间冲冲击力力，使使相接接触的的固体体壁面面产生生剥蚀蚀，此此现象象称为为空蚀。空化、、空蚀蚀1.4连续介介质和和理想想液体体的概概念假设液液体是是一种种连续续充满满其所所占据据空间间的无无空隙隙的连连续体体。描述液液体运运动的的一切切物理理量在在空间间和时时间上上连续续，可可利用用连续续函数数的分分析方方法来来研究究液体体的运运动规规律。。1.4.1连续介介质假假定水利工工程中中的水水流运运动都都属于于大尺尺度的的宏观观水流流运动动，用用连续续介质质概念念处理理，精精度满满足工工程要要求。。原因意义1.4.2理想液液体概概念忽略略液液体体粘粘性性并并将将不不具具有有粘粘性性的的液液体体称称为为理理想想液液体体。。从理理想想液液体体入入手手来来研研究究液液体体的的运运动动规规律律在在某某些些情情况况下下可可得得到到与与实实际际非非常常吻吻合合的的结结果果。。实实际际液液体体的的运运动动也也往往往往以以理理想想液液体体运运动动规规律律为为基基础础加加以以修修正正。。意义1.5作用用于于液液体体上上的的力力按作作用用的的特特点点分分表面面力力质量量力力表面面力力是是作作用用于于液液体体的的表表面面上上，，并并与与受受作作用用的的表表面面面面积积成成正正比比的的力力按表表面面力力的的作作用用方方向向分分法向向力力（（压压力力））切向向力力质量量力力是是指指通通过过液液体体质质量量而而起起作作用用，，其其大大小小与与质质量量成成正正比比的的力力，，重重力力、、惯惯性性力力；；质量量力力大大小小的的度度量量总质质量量力力单位位质质量量力力作用用于于单单位位质质量量液液体体上上的的质质量量力力若一一质质量量为为m的均均质质液液体体，，作作用用于于其其上上的的总总质质量量力力为为F，则则所所受受的的单单位位质质量量力力为为，，与与加加速速度度有有一一样样的的量量纲纲[L/T2]。若总总质质量量力力F在空空间间坐坐标标上上的的投投影影分分别别为为Fx、Fy、Fz、，，单单位位质质量量力力在在相相应应坐坐标标上上的的投投影影为为X、Y、Z，则则有有单位位质质量量力力1.6.1理论论分分析析法法质量量守守恒恒定定律律、、能能量量守守恒恒原原理理、、动动量量定定律律、、动动量量矩矩定定律律1.6.2实验验研研究究法法1.现场场观观测测实实验验（（原原型型观观测测））2.实验验室室模模型型实实验验1.6.3数值值计计