水力学第一章绪论long课件

第一章绪论水力学的定义水力学是研究液体平衡和机械运动规律及其应用的一门技术科学。水力学与流体力学、工程流体力学水力学的任务解决与水、流体相关的工程实际问题；水力学是一门重要的专业基础课程，它是连接前期基础课和后续专业课程的桥梁，为专业课程的学习打下坚实的基础。1.1水力学的定义、任务和发展简史第一章绪论水力学的定义1.1水力学的定义、任务和发展简史1此件滴漏是中国古代的计时工具，由广州人冼运行、杜子盛等铸造于元延祐三年（公元1316年）使用时，日壶的水以恒定的流量滴入下层的月壶，月壶之水滴入星壶，星壶上部有一个小洞，如果月壶滴下的水多了，多余的就会从这里流出，使星壶的水量保持恒定，以便均匀地滴水给受水壶。受水壶中的水逐渐增加，浮舟便托起木箭缓缓上升。将木箭的顶端与铜表尺上的刻度对照，就可知道当时的时间。这件铜壶滴漏从制成之日一直被使用到公元1900年前后，历时将近700年，是我国现存最早、最大、最完整的铜壶滴漏。

此件滴漏是中国古代的计时工具，由广州人冼运行、杜子2第一章绪论水力学的发展简史相传四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水；大约在4000多年之前，我国的黄河流域洪水为患，尧命鲧负责领导与组织治水工作。鲧采取"水来土挡"的策略治水。鲧治水失败后由其独子禹主持治水大任。禹接受任务后，首先就带着尺、绳等测量工具到全国的主要山脉、河流作了一番周密的考察。他发现龙门山口过于狭窄，难以通过汛期洪水；他还发现黄河淤积，流水不畅。于是他确立了一条与他父亲的"堵"相反的方针，叫作"疏"，就是疏通河道，拓宽峡口，让洪水能更快的通过。禹采用了“治水须顺水性，水性就下，导之入海。高处凿通，低处疏导”的治水思想。1.1水力学的定义、任务和发展简史——古代中国水力学的发展第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展3秦国蜀郡太守李冰在岷江中游修建了都江堰，闻名世界的防洪灌溉工程；都江堰位于四川省都江堰市城西，是中国古代建设并使用至今的大型水利工程，被誉为“世界水利文化的鼻祖”，是四川著名的旅游胜地。通常认为，都江堰水利工程是由秦国蜀郡太守李冰及其子率众于前256年左右修建的，是全世界迄今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程，属全国重点文物保护单位。拜水都江堰！问道青城山！中国历史上最激动人心的工程不是长城，而是都江堰。深淘滩，低作堰、遇湾截角，逢正抽心秦国蜀郡太守李冰在岷江中游修建了都江堰，闻名世界的防洪灌4水力学第一章绪论long课件5都江堰主要由渠首、附属工程和灌溉渠系工程组成，渠首包括鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口。与自然条件协调，三大部分组成了一个科学、完整的水利工程体系，通过各自功能的有效发挥，达到自动分水、泄洪、排沙、沉沙、引水的目的。工程布局合理，配合巧妙，功效显著，蕴涵着丰富、精深的科学哲理。鱼嘴与上游的百丈堤及下游的内、外金刚堤联合作用，自动将岷江上游的水流按照丰水期“内四外六”、枯水期“外四内六”的比例分流引入灌区，工作原理满足弯道水流“大水走直，小水走弯”的规律；鱼嘴的位置处在水流中泓线左右偏转的一个临界点上。飞沙堰位于内金刚堤与人字堤之间，堰顶高程较低。当内江水量超过需要时，水便会从堰顶溢人外江；飞沙堰筑成微弯的形状，与上游的内江河段形成一微弯的河道形态，水流挟带的泥沙在弯道环流作用下，从凸岸的飞沙堰顶上翻出，进入外江，内江水量愈大，飞沙堰的分洪飞沙效果愈明显；当内江水量超过某个最大值时，水流就会直冲飞沙堰，将由竹笼垒砌而成的飞沙堰冲毁，于是更多的上游来水都由此进入外江，从而保证了灌区的防洪安全。宝瓶口是都江堰灌区的总取水口；当上游来水不大时，其壅水作用不明显，进入宝瓶口的水流接近明渠水流；而当上游来水过大时，宝瓶口的：壅水作用加强，一方面会抬高上游水位，使多余水量溢出飞沙堰，同时促进泥沙夸宝瓶口上游处沉积；另一方面，从水力学的角度看，这时进人宝瓶口的水流已属宽顶堰淹没出流的性质，其过流量不再与上游来量成正相关，从而控制了进入灌区的水量，达到稳定引水量的目的。都江堰主要由渠首、附属工程和灌溉渠系工程组成，渠首包括鱼嘴、6秦始皇元年（公元前246）韩国水工郑国主持兴建郑国渠；秦始皇二十八年(公元前219)修建的灵渠；灵渠开凿于公元前218年（秦代）。横亘湘、桂边境的南岭山势散乱，湘江、漓江上源在此相距很近。兴安城附近分水岭为一列灵渠地处桂林兴安县境内，是中国著名的古代水利工程，也是世界上最古老的运河之一，它沟通了湘江（长江水系）与漓江（珠江水系），为开发岭南起了重要作用。灵渠为秦始皇帝时期所建，至今有二千二百多年的历史，其设计之精巧，令人赞叹。明朝张季训：“塞旁决以挽正流，以堤束水，以水攻沙”,的治理黄河的措施。秦始皇元年（公元前246）韩国水工郑国主持兴建郑国渠；7第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史阿基米德Archimedes（约公元前287～前212）——世界公认的最早的水力学的萌芽在《论浮体》一文中首先提出了论述液体平衡规律的定律；确立了流体静力学的基本原理，给出许多求几何图形重心，证明了浮力原理，后称阿基米德的原理。。第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展8第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史达·芬奇LeonardodaVinei（1452~1519）——15-17世纪水力学的缓慢发展最先对漩涡的流速分布、突然扩大断面和尾流漩涡、波浪传播和水跃等进行探讨或描述，成就远超过前人；提出水的连续定律，认识到明渠流的边界阻力，还首先提出关于流线形物体、降落伞、风速表、离心泵等设想；在水利方面的著作有《水的运动与测量》。第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展9第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史斯蒂文S.SimonStevin(1548～1620)——15-17世纪水力学的缓慢发展斯蒂文在数学上的贡献是他在1585年采用了十进位的小数记数方法；对流体力学的贡献是关于液体平衡的论著《静力学原理》，1586年发表，1605年收入他的《数学文集》。第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展10第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史托里拆利EvangelistaTorricelli(1608～1647)——15-17世纪水力学的缓慢发展托里拆利是伽利略的学生及其晚年的助手（1641～1642）；托里拆利以发明气压计而闻名；1643年他提出了托里拆利公式。第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展11第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史——15-17世纪水力学的缓慢发展牛顿IsaacNewton(1642～1727）提出了关于液体内摩擦的假定和粘滞性的概念，建立了液体的内摩擦定律第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展12第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史伯努利DanielIBernoulli（1700～1782）建立了理想液体运动的能量方程－伯努里方程；以《水动力学，关于流体中力和运动的说明》(1738)一书著称。——经典流体力学第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展13第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史欧拉LeohardEuler

(1707~1783)建立了理想液体的运动方程－欧拉运动微分方程；以《水动力学，关于流体中力和运动的说明》(1738)一书著称欧拉用两种方法来描述流体的运动，这两种方法通常称为欧拉表示法和拉格朗日表示法(1755和1759)描述流体速度场；给出反映质量守恒的连续性方程(1752)和反映动量变化规律的流体动力学方程(1755)——经典流体力学第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展14第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史纳维C.L.M.H.Navier（1785~1836）斯托克斯GeorgeGabrielstokes（1819~1903）建立了理想液体的运动方程－欧拉运动微分方程建立了实际液体的运动方程－纳维尔斯托克斯方程，奠定了古典流体力学的理论基础，使它成为力学的一个分支；古典流体力学采用严格数学分析方法，理论上比较严密，但数学上求解困难或某些假设不能符合实际尚难求解大部分实际问题。——经典流体力学第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展15第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史雷诺OsborneReynolds(1842～1912)1883年，雷诺通过试验发现了液流两种流态——层流和紊流；1894年，提出了紊流的基本方程－雷诺方程。——经典流体力学第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展16第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史谢才LeohardEuler

(1707~1783)总结了一系列渠道水流实测资料的基础上,提出明渠均匀流流速与流量的经验公式——谢才公式，以后又有确定谢才系数的曼宁公式、巴普洛甫斯基公式。——经典流体力学第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展17第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史——经典流体力学泊肃叶J.L.M.Poiseuille(1799~1869)法国生理学家。长期研究血液在血管内的流动,在求学时代即已发明血压计用以测量狗主动脉的血压;1840~1841年发表的论文《小管径内液体流动的实验研究》对流体力学的发展起了重要作用。他在文中指出，流量与单位长度上的压力降与管径的四次方成正比。此定律后称为泊肃叶定律。第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展18第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史达西DanielIBernoulli（1700～1782）建立了砂土渗流基本定律；通过试样的流量与试样横断面积及试样两端测压管水头差成正比，与试样的高度成反比。国际上将此项渗透规律定名为达西定律。——经典流体力学第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展19第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展简史普朗特LudwigPrandtl(1875～1953)普朗特1904年提出边界层理论。1904年建立和主持了空气动力学实验所。1925年以后又建立威廉皇家流体力学研究所。以后该所改名为普朗特流体力学研究所。他在边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。——现代流体力学第一章绪论水力学的发展简史1.1水力学的定义、任务和发展20环境水力学：研究污染物在水体中混合输移的规律及其应用的学科。水力学的一个新分支。工农业生产及生活中的污水、废热，未经足够处理，就排入河流、湖泊、海洋及地下水等水域中，污染水体，恶化水质，日益严重地影响生态、环境。污染物在水体中会因与水体混合，随水流输移而稀释；也会因化学、生物作用而降解。因此，水体本身有一定的自净能力。环境水力学的主要目标是，探求因混合、输移而形成的污染物浓度随空间和时间的变化关系，为水质评价与预报、水质规划与管理、排污工程的规划设计以及水资源保护的合理措施提供基本依据。计算水力学是涉及经典力学、计算方法、数值分析、程序编制、数据处理和可视化等学科的一门综合性交叉学科，是水利、交通、环境、土木、地质、采矿、能源等工科专业硕、博士研究生培养方案中一门重要的专业基础课程。环境水力学：研究污染物在水体中混合输移的规律及其应用的学21第一章绪论流体质点概念宏观（流体力学处理问题的尺度）：流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零；

——“宏观小”微观（分子自由程的尺度）：流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为的统计平均值是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。——“微观大”1.2液体的连续介质模型第一章绪论流体质点概念1.2液体的连续介质模型22第一章绪论连续介质假设（欧拉连续介质模型，1753）将流体区域看成由流体质点连续组成，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；连续介质假设是近似的、宏观的假设，它为数学工具的应用提供了依据，在其它力学学科也有广泛应用，使用该假设的力学统称为“连续介质力学”；除个别情形外（掺气水流、空穴现象），在水力学中使用连续介质假设是合理的；连续介质假设为建立流场的概念奠定了基础。1.2液体的连续介质模型第一章绪论连续介质假设（欧拉连续介质模型，1753）1.223第一章绪论液体的基本特征拉力——没有抵抗拉伸变形的能力压力——具有抵抗压缩变形剪切力剪切力（）静止时不能承受剪切力；流体质点之间有相对运动时，才能抵抗剪切变形；只要有，流体就不会静止，发生连续变形而流动；无论多小，只要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体现在变形的速率上，而不是变形的大小上（弹性体）。1.3液体的主要物理性质第一章绪论液体的基本特征1.3液体的主要物理性质24第一章绪论1.3液体的主要物理性质质量（惯性）单体体积均质液体所具有的质量，称为密度

非均质液体任一点密度第一章绪论1.3液体的主要物理性质质量（惯性）25第一章绪论1.3液体的主要物理性质重量和容重（重度）单位体积均质液体所具有的重量称为容重非均质液体时任一点容重

容重和密度的关系第一章绪论1.3液体的主要物理性质重量和容重（重度）26第一章绪论1.3液体的主要物理性质黏滞性液体运动时若质点间存在相对运动，则质点间就要产生内摩擦力，并具有抵抗剪切变形的能力，这种性质即为液体的粘滞性第一章绪论1.3液体的主要物理性质黏滞性27第一章绪论1.3液体的主要物理性质黏滞性单位面积上的内摩擦力称为粘滞切应力：粘滞系数（动力黏滞系数）：流速梯度：剪切变形速度运动黏滞系数第一章绪论1.3液体的主要物理性质黏滞性28

适用条件：牛顿流体（Newtonianfluid）牛顿流体的适用条件

τ0du/dyτ牛顿流体理想宾汉流体伪塑性流体膨胀性流体

泥浆，血液等

尼龙，橡胶的溶液生面团，浓淀粉等适用条件：牛顿流体（Newtonianfluid）牛顿29第一章绪论1.3液体的主要物理性质黏滞性——理想流体假设理想流体假设是忽略粘性影响的假设，可近似反映粘性作用不大的实际流动，粘性作用不大是相对于其它因素的作用而言的；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；是否忽略粘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。第一章绪论1.3液体的主要物理性质黏滞性——理想流体假设30第一章绪论1.3液体的主要物理性质压缩性体积压缩系数体积弹性系数液体的K值随温度和压强而变，随温度变化不显著。液体的K值很大，除非压强变化很剧烈，一般可不考虑压缩性，做不可压缩流体假设，即认为液体的K值为无穷大，密度为常数。——水下爆炸、水击问题第一章绪论1.3液体的主要物理性质压缩性31第一章绪论1.3液体的主要物理性质表面张力液体内部的分子之间的相互作用力是相互平衡的。液体自由面由于水分子及空气分子间的引力不平衡，使自由面能承受微弱拉力的性质，称为表面张力液体与气体相接触的自由表面液体与固体接触表面两种不同液体接触表面表面张力大小可用自由面上单位长度所受的拉力，即表面张力系数σ来度量。20°C的水σ=0.073N/m,水银σ=0.51N/m。第一章绪论1.3液体的主要物理性质表面张力表面张力大小可32第一章绪论1.3液体的主要物理性质汽化压强饱和蒸汽压空化现象第一章绪论1.3液体的主要物理性质汽化压强33在洁净的玻璃上放一滴水，它会