武大精品水力学课件-第1章-绪论-定稿

1、1,水 力 学,2,1 绪论,1.1 水力学的任务与发展概况 1.2 液体的主要物理性质 1.3 作用在液体上的力 1.4 水力学的研究方法,3,1.1 水力学的任务与发展概况 1.2 液体的主要物理性质 1.3 作用在液体上的力 1.4 水力学的研究方法,1 绪论,4,水力学定义,研究 液体 平衡 机械运动规律 应用 一门力学科学和技术基础课,对象,内容,课程性质,所属科学性质,液体处于静止（相对静止）状态下，作用于液体上的各种作用力之间的关系,液体在运动状态时，作用于液体上的力与运动要素之间的关系，及运动的特征和能量转换,5,本课程内容：,1 绪论 2 水静力学 3 水动力学基础 4 流动型态和水头损失 5 量纲分析和液流相似原理 6 恒定管流 7 明渠恒定流动 8 孔口出流、堰顶溢流和闸口出流 9 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 10 有压管道和明渠非恒定流 11 渗流,理论基础,基本应用,6,水利工程中常见的水力学问题：,水力荷载水体对水工建筑物的作用力,当关闭闸门，水库蓄水时，为了计算闸门的强度、刚度、校核大坝的稳定性，必须考虑上下游水体对大坝和闸门的作用力。,7,当渲泄洪水

2、时，必须确定校核大坝所能够通过 流量，以确保大坝安全泄洪；或已知泄量，确定大坝的溢流宽度。,泄水建筑物的过流能力,水利工程中常见的水力学问题：,8,由于大坝壅高水位，泄洪时，下泄的水流动能较大，会冲击河床，危及大坝的安全。因此，必须采取工程措施，消耗过大的动能，减轻对河床的冲刷。,水能的利用与消耗,水利工程中常见的水力学问题：,9,大坝建成后，水流会通过土壤、岩石中的缝隙形成渗流，对坝基产生作用力，同时产生渗透变形，会危及大坝的安全。,泄水建筑物的渗流问题,水利工程中常见的水力学问题：,10,分析天然河道的洪水水面线，确定防洪堤防高程，确定人工渠道的过流能力，如南水北调工程。,水流的流动形态河渠水面曲线计算,水利工程中常见的水力学问题：,11,例如：黄河上高含沙问题,河流泥沙,水利工程中常见的水力学问题：,12,水污染,水利工程中常见的水力学问题：,13,水泵：叶片、转轮体型 水轮机：叶片、转轮体型 蜗壳：,水力机械,水利工程中常见的水力学问题：,14,相传四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水 春秋战国末期（公元前221前左右）都江堰，当时对堰流理论有一定认识 秦始皇元年（公元

3、前246）韩国水工郑国主持兴建郑国渠，大约与此同时，罗马人建成了大规模的供水管道系统。 秦始皇二十八年(公元前219)修建的灵渠，沟通长江水系和珠江水系的古运河,水力学发展简史,古代中国水力学发展,15,公元1363年（元末）铜壶滴漏计算时间，当时已认识到孔口出流和上游水位间存在一定的关系。 明朝张季训提出“塞旁决以挽正流，以堤束水，以水攻沙”的治理黄河的措施。当时对流速与过水断面成反比的连续方程和一定量的水流能携带一定量的泥沙规律有一定认识。 清朝初年，何梦瑶等人提出用过水断面面积乘以流速计算流量的方法。 古代劳动人民懂得用水流的冲力带动水车、水磨等水力机械。,古代中国水力学发展,水力学发展简史,16,阿基米德（Archimedes，公元前287212） 古希腊学者阿基米德在公元前250年发表论文论浮体，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理阿基米德原理 ; 列奥纳德.达.芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519）设计建造一小型水渠，系统研究物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力及管道、明渠中水流等问题;,以纯理论分析为基础的古典流体力学,水

4、力学发展简史,17,斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上; 1653年，帕斯卡（B. Pascal）建立了平衡液体中压强传递的规律巴斯卡定律，使水静力学理论得到进一步发展; 1643年，托里拆利（E.Torricelli）提出了液体孔口出流关系式;,以纯理论分析为基础的古典流体力学,水力学发展简史,18,1686年，牛顿（Newton）提出了关于液体内摩擦的假定和粘滞性的概念，建立液体的内摩擦定律; 1738年，伯努里（D.Bernoulli）建立了理想液体运动的能量方程伯努里方程; 1775年，欧拉（L.Euler）建立了理想液体的运动方程欧拉运动微分方程;,以纯理论分析为基础的古典流体力学,水力学发展简史,19,1843年，纳维(L.M.H.Navier)和斯托克斯(G.G.Stokes)建立了实际液体的运动方程纳维斯托克斯方程，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; 1856年，达西(H.Darcy)建立了砂土渗流基本定律。首先提出: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。,纳

5、维,斯托克斯,以纯理论分析为基础的古典流体力学,达西,水力学发展简史,20,1769年 ，谢才（A.Chezy）在一系列渠道水流实测资料基础上, 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; 1732年，毕托(H.Pitot)发明了量测水流流速的毕托管; 1797年 ，文丘里（G.B Venturi）创造了量测管道流量的文丘里管。,求解各种实际水力学问题的经验方法,水力学发展简史,21,随着现代化工农业和新技术的迅速发展，以纯理论分析为基础的古典流体力学，实验为基础的实验水力学都不能满足生产发展要求，逐渐形成了以理论和试验研究结合的现代流体力学和现代水力学,现代流体力学和现代水力学,水力学发展简史,22,1883年，雷诺(O.Reynolds)通过试验发现了液流两种流态层流和紊流。1894年，又提出了紊流的基本方程雷诺方程； 1891年 ，儒科夫斯基首先建立了试验风洞。1905年，又提出了圆柱绕流的升力理论；,现代流体力学和现代水力学,水力学发展简史,23,1904年，普朗特(L.Prantl)观测分析了固体边界对液流的影响，首先提出液

6、流边界层概念，后来对层流边界层的研究，形成了边界层理论，在流体力学、水力学研究历史上，具有划时代的意义。 1891年 ，尼古拉兹（J.Nikuradse）德国学者分别对各种人工粗糙管道和明渠系统试验研究。 1938年，蔡克士达进一步揭示了管道和渠道紊流阻力和水头损失规律。,现代流体力学和现代水力学,水力学发展简史,24,自上世纪50年代以来在科学技术的推动下，国内外对水力学中各个问题展开了广泛的研究,建国以后水力学的发展,紊流边界层理论 水工水力学 管道和明渠非恒定流 渗流,高速水流（高速水力学） 波浪运动 相似理论等领域,取得了丰硕成果，丰富和发展了水力学的内容,水力学发展简史,25,各种量测的试验 仪器，得到进一步发展，例如，激光，PIV测速等技术。现在， 水力学（工程流体力学）已成为一门理论、实验和计算相结合的学科。,同时，又出现了一些新的水力学分支 环境水力学 随机水力学 计算水力学,建国以后水力学的发展,水力学发展简史,26,1.1 水力学的任务与发展概况 1.2 液体的主要物理性质 1.3 作用在液体上的力 1.4 水力学的研究方法,1 绪论,27,1.2.1 液体的基本特

7、征及连续介质的概念,1.2.4 液体的粘滞性,1.2.5 液体的压缩性和膨胀性,1.2.6 液体的表面张力,1.2.2 液体的惯性、质量和密度,1.2.3 重力和重度,28,1.2.1 液体的基本特征和连续介质,1、液体的基本特征,自然界物质存在三种形式,固体,液体,气体,流体,29,固体,液体,气体,固定形状和体积内部存在拉力、压力和剪力,不能保持固定形状，压缩性小，不能承受拉力，微弱剪力作用下，流体发生变形和流动；静止状态下，液体不能承受剪切力,不能保持固定的体积和形状可压缩和膨胀,主要区别：变形,主要区别：压缩性,1.2.1 液体的基本特征和连续介质,1、液体的基本特征,30,液体由分子组成，分子之间存在空隙，介质不连续，分子间距相当微小。现代物理学指出，常温下，每立方厘米水中，约含31022个分子，相邻分子间距约3108cm。可见，分子间距相当微小，在很小体积中，包含难以计数的分子。 水力学中，把液体当作连续介质，假设液体是一种无间隙的充满其所占据空间的连续介质,2、连续介质的概念,1.2.1 液体的基本特征和连续介质,31,连续介质的概念由瑞士学者欧拉（Euler）1753年

8、首先建立，这一假定在流体力学发展上起到了巨大作用。 如果液体视为连续介质，则液体中一切物理量（速度、压强和密度等）可视为空间（液体所占据空间）坐标和时间的连续函数。研究液体运动时，可利用连续函数分析方法。 质点大量分子组成的液体微团，是连续介质的最小单位。,1.2.1 液体的基本特征和连续介质,2、连续介质的概念,32,单位量度物理量数值大小的标准 例如：长度单位（m），质量（kg），力（N） 量纲物理量的性质 国际单位制中的基本量纲：长度L；时间T；质量M,3、量纲和单位,1.2.1 液体的基本特征和连续介质,33,1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念,1.2.4 液体的粘滞性,1.2.5 液体的压缩性和膨胀性,1.2.6 液体的表面张力,1.2.2 液体的惯性、质量和密度,1.2.3 重力和重度,34,均质液体：,式中，M为液体的质量；V为的体积,对于非均质液体：,式中，M为任意微元的液体质量； V 为任意微元的液体体积。,量纲：=ML-3，单位：kgm-3,M V,M , V,惯性液体保持原有运动状态的性质 质量惯性大小的量度 M (kg) 密度单位体积所包含的质量 ,1.

9、2.2 液体的惯性、质量和密度,35,1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念,1.2.4 液体的粘滞性,1.2.5 液体的压缩性和膨胀性,1.2.6 液体的表面张力,1.2.2 液体的惯性、质量和密度,1.2.3 重量和重度,36,重量液体所受的地球引力（重力）G G = Mg, 式中g 为加速度。,1.2.3 重力和重度,重度单位体积液体的重量（容重）,均质液体：,或：,则:,量纲： FL-3,单位：Nm-3 或 kNm-3,不同液体重度不同， f (p,t) ，随压强和温度的变化甚微，一般工程上视为常数。 取一个标准大气压下的温度为4蒸馏水计算，则 =1000kg/m3 ，= g 9800（Nm-3 ）9.8（kNm-3）。,37,1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念,1.2.4 液体的粘滞性,1.2.5 液体的压缩性和膨胀性,1.2.6 液体的表面张力,1.2.2 液体的惯性、质量和密度,1.2.3 重力和重度,38,从运动的液体中取出两个相邻的液层进行分析,A,B,平板缝隙中的润滑油流动,两个相邻微元液层受力分析,静止状态下：液体不能承受切应力 运动状态下：液体具有抵抗剪切变形的能力 粘滞性： 油、沥青、糖水、（水）,1.2.4 液体的粘滞性,39,当液体质点（液层）间存在相对运动时液体质点（液层）间产生内摩擦力抵抗其相对运动（液体连续变形）或 液体在相对运动状态下抵抗剪切变形的能力，这种性质称液体粘滞性，此内摩擦力称为粘滞力 。,内摩擦力做功 能量损失,1、粘滞性,因： 液体质点（液层）间存在相对运动（快慢） 果：质点间（液层）间存在内摩擦力 （1）方向 ：与该液层相对运动速度方向相反 （2）大小 ：由牛顿内摩擦定律决定,1.2.4 液体的粘滞性,40,根据前人的科学实验研究，液层接触面上产生的内摩擦力（单位面积上）大小，与液层之间的流速差成正比，与两液层距离成反比，同时与液体的性质有关。试验成果写成表达式为：,切应力

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