水力学课件第一章绪论水力学

1、水 力 学,主要内容：,作用在液体上的力,概述（水力学的任务、发展简史等）,液体的主要物理性质,第1章 绪 论,1.1 概述,水力学的任务是研究液体（主要是水）的平衡和机械运动的规律及其在实际工程中应用。,水力学是一门技术科学，是力学的一个分支，是水利类专业的一门重要的技术基础课。,1.1.1 水力学的任务与研究对象,具体说：是以数学、物理、理论力学为基础，采用理论分析与实验研究的方法，研究液体平衡和机械运动的规律及其实际应用。,水力学的任务是研究液体（主要是水）的平衡和机械运动的规律及其在实际工程中应用。,水力学是一门技术科学，是力学的一个分支，是水利类专业的一门重要的技术基础课。,按液体的存在形式,水静力学,水动力学,水静力学是关于液体平衡的规律，它研究液体处于静止（或相对静止）状态时，作用于液体上的各种力之间的关系。 水动力学是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之间的关系。,实际工程中的水力学问题,水对水工建筑物的作用力问题,水工建筑物的渗流问题,河渠水面曲线问题,水工建筑物下游的消能问题,水工建筑物的过水能力问题,船闸输水系统及消能问题 航道

2、整治中的水力学问题,1.1.2 水力学发展简史,春秋战国和秦朝时代都江堰、郑国渠和灵渠 “顺水之性，因势利导” “深淘滩，低作堰” 公元前485年开始修建到隋朝时最后完工的长达1782公里的著名京杭大运河 公元1363年制作的我国古代计时工具铜壶滴漏，即利用孔口出流，水位随时间变化的规律制成的 希腊的阿基米德液体平衡理论、物体浮力理论 公元15世纪至17世纪，达芬奇、伽利略、E托里拆利、B帕斯卡、I牛顿等人，用实验方法研究了水静力学、大气力学、孔口出流、压力传递和水的切应力等问题，包括伯努利方程、欧拉方程、雷诺方程等。,1.都江堰,位于都江堰城西岷江中上游,从成都往西北约57公里。都江堰是中国古代著名的一项水利工程，距今已有2200多年的历史。都江堰渠首枢纽主要由鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三大主体工程构成。三者有机配合，相互制约,协调运行，引水灌田，分洪减灾，具有“分四六，平潦旱”的神奇功效，使中外专家、学者、和游人无不为之倾倒。渠首三大主体工程修建在岷江出山口处。,都江堰是由渠首枢纽、灌区各级引水渠道，各类工程建筑物和大中小型水库和塘堰等所构成的一个庞大的工程系统，担负着四川盆地中西部地区

3、7市（地）36县（市、区）1003万余亩农田的灌溉、成都市50多家重点企业和城市生活供水，以及防洪、发电、漂水、水产、养殖、林果、旅游、环保等多项目标综合服务，是四川省国民经济发展不可替代的水利基础设施，其灌区规模居全国之冠。,2.长江三峡,整个工程包括一座混凝重力式大坝，泄水闸，一座堤后式水电站，一座永久性通航船闸和一架升船机。三峡工程建筑由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。大坝坝顶总长3035米，坝高185米，水电站左岸设14台，左岸12台，共表机26台，前排容量为70万千瓦的小轮发电机组，总装机容量为1820千瓦时，年发电量847亿千瓦时。通航建筑物位于左岸，永久通航建筑物为双线五包连续级船闸及早线一级垂直升船机。三峡工程正常蓄水位175m，汛期防洪限制水位145m，枯季消落最低水位155m，相应的总库容、防洪库容和兴利库容分别为393亿m3、221.5亿m3和165亿m3。,三峡工程全称为长江三峡水利枢纽工程 ,位于湖北省宜昌市上游.,1.1.3 连续介质和理想液体的概念,1、连续介质概念 假设液体是一种连续充满其所占据空间的毫无空隙的连续体。水力学所研究的液体运动是连

4、续介质的连续流动。 意义：使描述液体运动的一切物理量在空间和时间上连续，故可利用连续函数的分析方法来研究液体运动。 根据长期的生产和科学实验证明：利用连续介质的假定所得出的有关液体运动规律的基本原理与客观实际是十分符合的。,2、理想液体的概念,所谓理想液体，就是把水看作绝对不可压缩、不能膨胀、没有粘滞性、没有表面张力的连续介质。 考虑粘滞性与否，是理想液体和实际液体的最主要差别。,在水力学中液体分为理想液体和实际液体。,理想液体在水动力学中才有意义，在水静力学中理想液体和实际液体是相同的。,1.1.4 水力学的研究方法,1、实验研究 （1）原型观测 （2） 模型试验 （3）系统试验 2、理论分析 牛顿定律、质量守恒定律、动量定律、动能定律 3、数值模拟,（1）原型观测,在野外或水工建筑物现场，对水流运动进行观测，收集第一手资料，为检验理论分析成果或总结某些基本规律提供依据。,（2） 模型试验,当实际水流运动复杂，而理论分析困难，无法解决时采用。 指在实验室内，以水力相似理论为指导，把实际工程缩小为模型，在模型上预演相应的水流运动，得出模型水流的规律性，再把模型试验成果按照相似关系换算为

5、原型的成果以满足工程设计的需要。,1、实验研究,（3）系统试验,在实验室内，小规模的造成某种水流运动，用以进行系统的实验观测，从中找到规律。,数理知识 数据处理方法 量纲分析方法,2、理论分析,经典力学的基本原理：,牛顿的三大定律、动量守恒定律、能量守恒定律,水流运动的基本方程式：,连续性方程,能量方程,动量方程,先进性：采用计算机、流体计算软件等高新技术。,3、数值模拟,通过求解水流的运动方程来得到模拟区域内任 意时刻任意位置力和运动要素的值。,经济性：可给定不同的边界条件，进行大量的模拟， 给出足够多的力和运动要素值以进行分析。,物质的三种形式 固体分子间距小，内聚力大，能保持固定的形状和体积，能承受拉力、压力和剪切力； 液体能保持固定的体积，但不能保持固定的形状； 气体既没有固定的体积，也无固定的形状。 液体和气体均属于流体，内聚力小，能承受压力，但不能承受拉力，在微小剪切力作用下，易产生变形或流动。 气体和液体的区别在于他们的可压缩程度不同。,1.2 液体的主要物理性质,惯性、质量与密度,粘滞性与粘滞系数,压缩性与热胀性,表面张力,万有引力特性与重力,1.2.1 惯性、质量与密

6、度 惯性就是物体保持原有运动状态的特性。 由于液体的惯性引起对外界抵抗的反作用力称为惯性力。 质量的单位用kg, 力的单位为N。1N的力定义为：在1N力的作用下，质量为1kg的物体得到1m/s2的加速度。,密度是指单位体积液体所含有的质量，用表示,密度,密度的量纲为M/L3，单位为kg/m3,对于均质液体，,液体的密度随温度和压强而变化，但这种变化很小，水力计算中常把水的密度视为常数，采用一个标准大气压、温度为4时蒸馏水的密度来计算，即取水=1000 kg/m3,每个物理量都包括有量的数值及量的种类。量的种类即称为量纲。同一种类的物理量可有不同的单位，单位不同，量的数值也不同。,1.2.2 万有引力特性与重力 万有引力特性是指任何物体之间相互具有吸引力的性质。 地球对物体的引力称为重力，或称重量。 一个质量为m的物体，其所受重力的大小为：,1.2.3 粘滞性与粘滞系数,图1-3 微元的运动,粘滞性与粘滞系数,当液体处在运动状态时，若液体质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为液体的粘滞性。,又称为粘滞力,牛顿平板实验：,实验表明，内摩擦应力（粘滞应力）

7、,牛顿内擦定律,单位面积上的内摩擦力,流速梯度,动力粘度，简称粘度,作层流运动的液体，相邻液层间单位面积上所作用的内摩擦力与流速梯度成正比，与液层的接触面积A成正比，而与接触面的压力无关，同时与液体的性质有关。,作用在相邻液层间的粘性切应力总是成对出现的，大小相等，方向相反。,粘性切应力,关于牛顿内摩擦定律的几点讨论,（1） 即 切应力与液体的剪切变形速度（率）成正比,证明：如图,故,（2）粘度 反映液体的性质对摩擦力的影响 。粘性大的液体值大，粘性小的液体值小。单位：Ns/m2或PaS ，称为动力粘度 。,粘度值的主要影响因素有：液体的种类、液体的温度（对于液体，随温度升高，粘度值减小；而对于气体，随温度的升高，粘度值增大）,工程中常用， 单位：m2/s，称为运动粘度。,对于水，,式中水温t以C计，以cm2/s计,（3）牛顿液体与非牛顿液体,一般把符合牛顿内摩擦定律的液体称为牛顿液体（属于水力学研究的范畴），反之称为非牛顿液体（属于牛变学研究的范畴）。,A线为牛顿液体，当液体种类一定、温度一定时， =const ，切应力与剪切变形速度成正比,B线是理想宾汉液体，如泥浆、血浆等,C线是

8、伪塑性流体，如尼龙、橡胶的溶液、颜料、油漆等,D线膨胀性流体，如生面团、浓淀粉糊等,实际液体与理想液体的概念,（4）液体的粘滞性是液体运动产生能量损失的主要根源,1.2.4 压缩性与热胀性,液体受压后体积缩小，即为压缩性； 压力撤除后恢复原状，为弹性。,用体积压缩率来表示压缩性的大小：,越大，表示液体越易压缩，单位：m2/N或Pa-1,还可用体积模量K来表示压缩性的大小：,K越大，表示液体越不易压缩，单位：N/m2 或Pa,水的压缩性很小，在10时，K = 2109 N/m2，即增加一个大气压，水的体积相对压缩值为2万分之一，故认为水是不可压缩的液体。,可用体积膨胀系数来表示热胀性的大小：,越大，表示液体的热胀性越大，单位：K-1。,1.2.5 表面张力,表面张力是自由表面上液体分子由于受两侧分子引力不平衡，使自由面上液体受有极其微小的拉力，它是一种局部受力现象。,表面张力的大小可用表面张力系数来表示，是指自由面上单位长度上所受拉力的数值，单位：N/m，其随液体种类和温度变化而变化。对于20的水，=0.074N/m，对于水银=0.54N/m。,1.3 作用于液体上的力,按作用的特点分,表面力,质量力,表面力是作用于液体的表面上，并与受作用的表面面积成正比的力,表面力大小的度量,总作用力,表面应力,按表面力的作用方向分,压力或压强,切力或切应力,质量力是指通过液体质量而起作用，其大小与质量成正比的力，如重力、惯性力；,质量力大小的度量,总质量力,单位质量力,若一质量为M的均质液体，作用于其上的总质量力为F，则所受的单位质量力为 ，与加速度有一样的量纲L/T2,作用于单位质量液体上的质量力,若总质量力F在空间坐标上的投影分别为Fx、Fy、Fz、，单位质量力在相应坐标上的投影为fx、fy、fz，则有,

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