水力学的任务及发展简史

第一章绪论本章要求:掌握液体的密度、容重、粘滞性、理想液体的定义，液体密度、容重的计算。理解粘滞力、表面力、质量力、水力学的定义和任务。第一节水力学的任务及发展简史水力学是研究液体的机械运动规律及应用这些规律解决工程实际问题的一门科学。水力学的研究对象是以水为代表的液体，其基本原理不仅适用于水，也适用于水的性质相似的液体（油、汞、酒精等）和可以忽略压缩性(既流速小于音速)的气体。水力学是力学的分支，包括水静力学和水动力学。布，液体对固体接触面的压力，液体对浮体和潜体的浮力及浮体的稳定性，以解决蓄水容船舶等的静水压力计算问题。水力计算，以解决给水排水、道路桥涵、农田排灌、水力发电、防洪排涝、河道整治、水水力学，在计算机基础上产生出的计算水力学，研究环保问题产生出的环境水虽然在工程中所遇到的水力学问题各式各样，但基本问题可以归结为如下几个方面：（1）计算水流对建筑物的作用力2）计算建筑物的输水能力及尺寸3）水流机械这些规律去解决工程中的各类水力学问题。水力学作为学科而诞生始于水静力学。公元前400余年，中国墨翟在《墨经》中，已有了浮力与所排液体体积之间关系的设想。公元前250年，阿基米德在《论浮体》纪中叶，法国帕斯卡提出液压等值传递的帕斯卡原理。至此水静力学已初具雏形。水力学的发展是与水利工程兴建相联系的。相传4000年前的大禹治水采取“疏雍导滞”防止了洪涝灾害。公元前256-210年间，中国秦代修建了著名的都江堰、灵渠和郑国面取得进展，他用悬浮砂粒在玻璃槽中观察水流现象，描述了波浪运动、管中水流和波的传播、反射和干涉。前人对水流运动规律的认识已有相当水平，但直至15世纪以前，都被认为是一种技艺，而未发展为一门科学。十八世纪中叶水力学始成为一门独立学科。水力学有迅速的发展.欧拉和丹尼尔第一·伯努利是这一领域中杰出的先驱者。十八世纪末和整个十九世纪，形成了两个相互弗朗西斯、曼宁等人则在应用水力学方面进行了大量的实验研究，提出了各种实用的经验十九世纪末，流体力学有了新发展：雷诺理论及实验研究；雷诺的因次分析；弗劳德的船舶模型实验；空气动力学的研究等。二十世纪初的重要突破是普朗特的边界层理论，它把无粘性理论和粘性理论在边界层概念的基础上联系起来。二十世纪蓬勃发展的经济建设提出了越来越复杂的水力学问题：高浓度泥沙河流的治理；高水头水力发电的开发；输油干管的敷设；采油平台的建造；河学；从单向流动到多相流动；从牛顿流体规律到非牛顿流体规律；从流速分布到温度和污染物浓度分布；从一般水流到产生掺气、空蚀，引起振动的高速水流。以计算机应用为以至人才流、物资流、资金流、信息流等专业或领域的重要专业基础课。也就是，所有与流体或与流动有关的问题，都离不开水力学的基本理论。随着现代科学技术的发展和不同学科的相互渗透，水力学的内容将会不断得到发展、充实和提高。第二节液体的主要物理性质自然界的物质一般有三种形式，即固体、液体和气体。液体和气体统称为流体。固体分子的间距很小，内聚力很大，所以它能保持固定的形状和体积，承受一定的拉力、压力和剪切力。流体则不同，由于流体分子间距较大，内聚力较小，几乎不能承受拉力，所以流体不能保持固定的形状。液体与气体相比，液体分子间的距离比气体小，内聚力比气体大得多，所以能保持一定的体积。气体没有固定的形状，也没有一定的体积，极易膨胀和压缩，液体的压缩性很小，气体和液体的主要区别就是它们的可压缩程度不同。因此。液体是易流动的、不易被压缩的。惯性是物体反抗外力改变它原有运动状态的特性，惯性力是物体反抗外力改变它原有运动状态而加给施力物体的反作用力。质量是物体惯性大小的量度，质量越大，物体的惯性也越大。物体的质量用符号m表示，加速度用符号a表示，则惯性力可以表示为式中负号表示惯性力的方向与物体运动加速度的方向相反。密度是指单位体积液体具有的质量，液体的密度用符号p表示。对于均质液体，质量用符号m表示，单位为公斤（kg）,体积用符号V表示，单位为米3（m3）其密度为V密度的单位为千克/米3（kg/m3）.密度的大小会随温度和压强而变化，但这种变化很小，水力学中通常把液体的密度视为常数。例如水的密度，下，温度为4℃时的值作为计算值，其数值为1000千克／米3(kg秒(s)，千克(kg)，其它是导出单位。例如，力的单位为牛顿(N)，1牛顿力的定义为：使称为重力，用符号G表示，物体的质量用符号m表示，重力加速度为g，则它所受到的重因其变化很小，水力学中常将其当成常数，取g=9.8m/s2。单位体积液体所具有的重量称V根据式（1-3）和（1-4）可得或Yp=-g3同温度下水的物理性质（1个标准大气压）见表1-1。运动粘滞℃KN/m329N/m2N/m2053)产生摩擦力来反抗其相对运动，直到两个固体之间处于静止平衡状态。这种摩擦力是产生在两个固体之间的外力。当液体处在运动状态时，如果液体内部质点之间存在着相对运动，那么液体质点之间就要产生一种摩擦力来反抗液体做相对运动，液体的这种性质称为液体的粘滞性，因这种摩擦力产生在液体的内部，所以称它为内摩擦力。内摩擦力也称为粘滞力。由于粘滞性的存在，液体在运动过程中要克服内摩擦力做功而消耗能量，所以粘滞性是液体在流动过程中产生能量损失的根源。图1-1中液体沿固体壁面作平行直线流动，而且液体质点是一层一层有规则地向前流动，互相不混掺（液体的这种运动状态离边界越远，流速越大。若距固体边界y处的流速为u，相邻液层y+dy处液体的流速为下层液体流速小，它作用于上层液体一个与流速方向相反的摩擦力，力图使其减速；而上个摩擦力大小相等、方向相反。实验证明，相邻液层单位接触面积上所产生的内摩擦力（即切应力τ)的大小，与两液层间的流速差du成正比，与两液层之间的距离dy成反比，同时与液体的性质有关。用公式表示即为若两液层间的接触面积为A，则其内摩擦力为式中μ是反映液体粘滞特性的比例系数，称为动力粘滞系数。两液层流速差与其距离的比值称为流速梯度。式(1-6)和(1-7)就是著名的牛顿内摩擦定律表达式，具体内容可以表述如下：作层流运动的液体，当相邻液层间存在相对运动，则液层之间内摩擦力的大小，与接触面积A和流速梯度成正比，同时与液体的性质有关。水力学中经常使用μ和液体密度p的比值，即-μp22液体的粘滞系数与液体的种类有关，它对温度的变化较为敏感，但压强的变化对它影水的运动粘滞系数ν可按下列经验公式计算系数v和μ值。=1查表1-1，当温度为lO℃,水的动力粘滞系数μ=这种性质称为液体的压缩性或弹性。液体压缩性的大小用体积压缩系数β或体积弹性系数设某液体在受压强p时，体积为V，当压强增加dp后，体积改变了dV，则液体的体dV/VdVV反之亦然，也就是说dp和dv始终正负号相反。为了保持β值为正数，在上式右端加一个负号。根据式(1-10)可知，β值越大，表明液体越容易被压缩。体积压缩系数β的单位上式表明，K值越大，液体越不易被压缩。当K∞,表示液体绝对不可压缩，即不水的体积相对减少约为两万分之一。如输水管路中的水击问题，就必须考虑水的压缩性。液体的表面张力是指液体自由表面上的分子，一侧受液体分子的引力，而另一侧受其它介质(如气体或固体)的引力，由于两侧分子引力不平衡，使自由面上的液体小拉力，这种拉力称为液体的表面张力。表面张力仅在自由表面存在，而且沿液体表面的切线方向，它将会影响液体表面的形状。由于表面张力很小，一般对液体的宏观运动影响可以忽略不计，只有在某些特殊下，如研究微小水滴的形成与运动、小尺度水力模型中的水流、水舌较薄而且曲率较大的堰流、细管中的水或土壤空隙中水的运动等，都必须考虑表面张力的影响。在小直径细管中，液体表面张力的现象十分明显，如图1-3所示。当液体内的引力小于它与管壁的附着力，表面张力将使细管内液面下凹、液体上升。反之，当液体内的引力大于它与管壁的附着力，表面张力将使细管内液面上凸、液体下降。接触角θ≈0。，水银与玻璃的接触角θ≈139。，这时玻璃管中水面高出容器水面的高度为d玻璃管中水银液面低于容器中水银表面的高度为d测压管的内径不宜小于lOmm。液体分子逸出液面向空间扩散变为蒸汽的过程称为汽化，它的逆过程称为凝结。实际上，汽化和凝结现象在液体中同时存在。当这两个过程达到平衡时，液面的压强称为饱和蒸汽压强或汽化压强。温度不同，液体不同，汽化压强值也不同，但汽化压强总是随温度液体汽化压强会减小。高海拔地区气压低，水温不到100℃就会沸腾，就是这个原因。水利工程中，水流也会因局部区域的压强降低产生汽化现象，水流内部释放出大量气泡，我们把这种现象称为空化。空化现象的产生破坏了水流的连续性，同时，当有大量气泡的水体流动到压强较高区域，气泡会迅速溃灭并产生极大的瞬时冲击力物表面严重空蚀破坏。上面我们讨论了液体六个主要物理性质，它们都不同程度地影响着液体的运动，其中重力特性、惯性、粘滞性对水流运动起着主要作用，压缩性、表面张力特性和汽化压强只对某些特殊的水流运动产生影响。第三节连续介质和理想液体的概念学对微观世界的研究，我们已经知道，液体和任何物质一样，是由大量分子所组成，并且分子与分子之间并不是一个紧挨着一个没有空隙的。水力学在研究液体运动时，只研究液体整体的宏观运动而不研究液体分子的微观运动。这是因为分子间空隙的距离与工程上我们研究的液体整体尺寸相比，是极为微小的，常温下，每㎝3的水中约含有3.34×1022个水分子，相邻分子间距离约为3.1×1此在水力学中，不考虑分子间距离，认为液体是由大量一个挨着一个的质点构成，中间并地看成一个含有大量分子的在空间上无限小的几何点。实践证明，利用连续介质概念得出的有关液体运动规律的理论与实际相符。函数进行微积分运算必须满足连续性条件。我们把液体当作连续介质，液流中的一切物理量(如速度、压强、密度等)都可以看成是空间坐标和时间的连续函数，这样在研究液体运析和处理带来很大的困难。因此，为了使复杂的水力学问题得到简化，我们引入了“理想一般的水利工程不考虑液体的压缩性、表面张力特性和汽化压强，所以，在研究液体是指没有粘滞性的液体，这时液体的粘滞系数μ=0，相应地我们把有粘滞性的液体称为实际液体。这样，我们在解决复杂的实际水流问题时，可以先不考虑液体粘滞性的影响，按正，得到实际液体的运动规律，并用来解决工程实际问题。这是水力学的一个重要研究方需要注意的是，理想液体是为了简化问题的处理而提出来的“假设”，理想液体实际第四节作用在液体上的力液体无论处于平衡或运动状态，都会受到各种力的作用。液体运动状态的改变，是外力作用的结果。因此研究液体的平衡或运动，都要正确分析和计算液体如果按其作用特点，这些力又可分为表面力和质量力两大类。作用在所研究液体的表面上，其大小与受作用的表面积成比例的力称为表面力。例如固体边界与液体之间的摩擦力，边界对液体的反作用力，一部分液体对相邻的另一部分液体在接触面上的水压力等。表面力又可以分为垂直于作用面的压力和平行于作用面的切力。表面力的大小除用总作用力来度量外，常用单位面积上所受到的力(即应力)来表示。垂直指向作用面的应力称为压应力或压强，与作用面平行的应力称为切应力。质量力是作用在每个液体质点上，其大小与液体的质量成比例的力。如重力、惯性力都属于质量力。在均质液体中质量与体积成正比，故质量力又可以称为体积力。单位质量液体所受到的质量力，称为单位质量力，以符号f表示。质量为m的均质液体，所受总的质量力为F，则单位质量力为Ff=-m若总的质量力F在直角坐标轴上的投影分别为F、F、F,则单位质量力f在相应FxmFmZ=F m第五节水力学的研究方法研究水力学有三种最基本的方法，即理论分析、试验研究和数值计算。水力学是建立在古典力学的理论基础上,对液体运动进行理论分析。应用数理分析方法，引用古典力学的基本原理(如牛顿三定律、动量定理、动能定理等)，研究液体的运动及作用在液体上的力，来建立水流机械运动的基本规律，解释各种水流现象的成因和内在影响因素众多，还难