n水力学课件水力学课件第一章第一章 绪论绪论（一一）课课程程地地位位 水水力力学学是是一一门门重重要要的的专专业业基基础础课课程程，它它是是连连接接前前期期基基础础课课程程和和后后续续专专业业课课程程的的桥桥梁梁。课课程程的的学学习习将将有有利利于于力力学学基基础础知知识识的的巩巩固固与与提提高高，培培养养分分析析、解解决决实实际际问问题题的的能能力力，为为专业课程的学习打下坚实基础。专业课程的学习打下坚实基础。一一. .课程的性质和任务课程的性质和任务第一章第一章 绪论绪论 力学力学 基础课程基础课程水力学水力学专业基础课程专业基础课程水利学科水利学科有关专业课程有关专业课程（二）水力学研究的对象二）水力学研究的对象n1.1.水力学的定义：水力学的定义：n 水力学是研究液体处于静止和运动状态水力学是研究液体处于静止和运动状态下的力学规律，并探讨运用这些规律解决工下的力学规律，并探讨运用这些规律解决工程实际问题的一门科学。水力学又是力学的程实际问题的一门科学。水力学又是力学的一个分支。一个分支。n2.2. 水力学的任务：水力学的任务：n 研究以水为代表的，液体机械运动规律研究以水为代表的，液体机械运动规律及其在工程中的应用。及其在工程中的应用。 （三）水力学由以下内容构成（三）水力学由以下内容构成 水力学所研究的基本规律：两大主要水力学所研究的基本规律：两大主要组成部分，水静力学和水动力学。组成部分，水静力学和水动力学。 水静力学：关于液体平衡的规律，它研水静力学：关于液体平衡的规律，它研究液体处于静止（或相对平衡）状态时，作究液体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于液体上的各种力之间的关系。用于液体上的各种力之间的关系。 水动力学：关于液体运动的规律，它研究水动力学：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，以及液体的运动特性与能量要素之间的关系，以及液体的运动特性与能量转换等等。转换等等。研究对象：液体及不可压缩气体。研究对象：液体及不可压缩气体。（四）水力学的在工程中的应用（四）水力学的在工程中的应用 1.1.确定水工建筑物所受的水力荷载确定水工建筑物所受的水力荷载Fv vF2.2.确定水工建筑物过水能力确定水工建筑物过水能力3.3.分析水流流动形态分析水流流动形态4.4.确定水流能量消耗和利用确定水流能量消耗和利用农村小型自来水厂农村小型自来水厂三峡大坝泄洪三峡大坝泄洪5.5.特殊的水力学问题特殊的水力学问题某污水处理厂某污水处理厂二二. .液体的基本特征与连续介质的概念液体的基本特征与连续介质的概念n1.1.液体的基本特性：液体的基本特性： 液体与固体的主要区别在于易流动性，液体与固体的主要区别在于易流动性，而液体与气体的主要区别在于是否具有可而液体与气体的主要区别在于是否具有可压缩性。压缩性。 因此液体易流动性、不易压缩的特性使因此液体易流动性、不易压缩的特性使液体有许多与固体和气体不同的运动特征。液体有许多与固体和气体不同的运动特征。2.2.连续介质的概念连续介质的概念连续介质的概念连续介质的概念： 即假设液体是一种连续充即假设液体是一种连续充满其所占据空间毫无空隙的连续体。满其所占据空间毫无空隙的连续体。特点特点：液体中的一切物理量都可以视为空间：液体中的一切物理量都可以视为空间坐标和时间的连续函数，因此可采用连续函坐标和时间的连续函数，因此可采用连续函数的分析方法。数的分析方法。 长期的生产和科学实验证明：利用连续长期的生产和科学实验证明：利用连续介质假定所得出的有关液体运动规律的基本介质假定所得出的有关液体运动规律的基本理论与客观实际是十分符合的。理论与客观实际是十分符合的。 因此液体的基本特性是因此液体的基本特性是：易流动性、不：易流动性、不易压缩、均匀等向的连续介质。易压缩、均匀等向的连续介质。三三. .液体的主要物理性质液体的主要物理性质1.1.惯性、质量与密度惯性、质量与密度惯性力：当液体受外力作用使运动状态发惯性力：当液体受外力作用使运动状态发生改变时，由于液体的惯性引起对外界抵生改变时，由于液体的惯性引起对外界抵抗的反作用力。抗的反作用力。单位：单位：N N密度：是指单位体积液体所含有的质量。密度：是指单位体积液体所含有的质量。国际单位：国际单位：kg/mkg/m3 3 一个标准大气压下，温度为一个标准大气压下，温度为44，水密度，水密度为为10001000kg/mkg/m3 3 。2.万有引力特性，重力与容重万有引力特性，重力与容重万有引力万有引力：是指任何物体之间相互具有吸引：是指任何物体之间相互具有吸引力的性质，其吸引力称为万有引力。力的性质，其吸引力称为万有引力。 重力重力：地球对物体的引力称为重力，：地球对物体的引力称为重力，或称为重量。或称为重量。大小为：大小为：G GMgMg， g g：重力加速度。重力加速度。 液体的容重：液体的容重：是指单位体积液体所具是指单位体积液体所具有的重量。有的重量。 国际单位：国际单位： N Nm m3 33.3.粘滞性粘滞性 粘滞性及粘滞力：粘滞性及粘滞力：粘滞性及粘滞力：粘滞性及粘滞力：当液体处在运动状态当液体处在运动状态当液体处在运动状态当液体处在运动状态时，若液体质点之间时，若液体质点之间时，若液体质点之间时，若液体质点之间存在着相对运动，则存在着相对运动，则存在着相对运动，则存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦质点间要产生内摩擦质点间要产生内摩擦质点间要产生内摩擦力抵抗其相对运动，力抵抗其相对运动，力抵抗其相对运动，力抵抗其相对运动，这种性质称为液体的这种性质称为液体的这种性质称为液体的这种性质称为液体的粘滞性，此内摩擦力粘滞性，此内摩擦力粘滞性，此内摩擦力粘滞性，此内摩擦力又称为粘滞力。又称为粘滞力。又称为粘滞力。又称为粘滞力。 牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：或或流速梯度流速梯度为动力粘滞系数为动力粘滞系数牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律：作层流运动的液体，：作层流运动的液体，：作层流运动的液体，：作层流运动的液体，相互邻近层间单位面积上所作用的内摩擦相互邻近层间单位面积上所作用的内摩擦相互邻近层间单位面积上所作用的内摩擦相互邻近层间单位面积上所作用的内摩擦力（或粘滞力），与流速梯度成正比，同力（或粘滞力），与流速梯度成正比，同力（或粘滞力），与流速梯度成正比，同力（或粘滞力），与流速梯度成正比，同时与液体的性质无关。时与液体的性质无关。时与液体的性质无关。时与液体的性质无关。为运动粘滞系数，国际单位：为运动粘滞系数，国际单位：m m2 2/s/sn牛顿内摩擦定律的适用条件：牛顿内摩擦定律的适用条件：n 层流运动和牛顿液体。层流运动和牛顿液体。n粘滞性是产生水头损失的根本原因粘滞性是产生水头损失的根本原因n例题一极薄的平板，在厚度分别为例题一极薄的平板，在厚度分别为4cm4cm的两种的两种油层中以油层中以 的速度运动。已知上层的速度运动。已知上层动力粘滞系数为下层的动力粘滞系数动力粘滞系数为下层的动力粘滞系数2 2倍，两倍，两油层在平版上产生的总切应力为油层在平版上产生的总切应力为n。试求上、下油层的动力粘滞系数。试求上、下油层的动力粘滞系数。n解：解： 4cm4cm平版u4.液体的液体的压缩性压缩性 压缩性：液体受压后体积要缩小，压压缩性：液体受压后体积要缩小，压力撤除后也能恢复原状，这种性质称为液力撤除后也能恢复原状，这种性质称为液体的压缩性或弹性。体的压缩性或弹性。 用体积压缩率或体积模量用体积压缩率或体积模量K K来描述液体来描述液体的压缩性。的压缩性。 为体积压缩系数，为体积压缩系数，单位为单位为m m2 2/N/N K K值越大，表示值越大，表示液体愈不容易压缩。液体愈不容易压缩。对一般水利工程来说，对一般水利工程来说，可认为水不可压缩的。可认为水不可压缩的。但在有压管道中水击但在有压管道中水击计算时，则必须考虑计算时，则必须考虑水的压缩性。水的压缩性。5.液体的液体的表面张力表面张力 表面张力：自由表面张力：自由表面上液体分子由一表面上液体分子由一受两侧分子引力不平受两侧分子引力不平衡，使自由面上液体衡，使自由面上液体分子受有极其微弱的分子受有极其微弱的拉力拉力 表面张力仅在自表面张力仅在自由表面存在，液体内由表面存在，液体内部并不存在部并不存在。表面张力示意图表面张力示意图毛细管现象毛细管现象6.汽化压强汽化压强 汽汽化化压压强强是是指指液液体体汽汽化化和和凝凝结结达达到到平平衡衡时时液液面面的的压压强强。汽汽化化压压强强随随液液体体的的种种类类和和温温度度的的不不同同而而改改变变。水水利利工工程程中中的的空空化化现现象象与与液液体体的的汽汽化化压压强强有关，需要注意。有关，需要注意。综综上上所所述述，液液体体的的惯惯性性、重重力力特特性性和和粘粘滞滞性性对对液液体体运运动动有有重重要要的的影影响响，而而液液体体的的可可压压缩缩性性、表表面面张张力力和和汽汽化化压压强强只只有有在在特特殊殊问问题题中中才才需需要要考考虑虑，请注意区分。请注意区分。7.理想液体的概念理想液体的概念在水力学中液体分为理想液体和实际液在水力学中液体分为理想液体和实际液体。体。理想液体：就是把水看作绝对不可压缩、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、没有表面张力的连不能膨胀、没有粘滞性、没有表面张力的连续介质。续介质。有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主要差别。液体的最主要差别。四四. .作用在液体上的力作用在液体上的力 按物理性质：重力、惯性力、弹性力、按物理性质：重力、惯性力、弹性力、摩擦力、表面张力。摩擦力、表面张力。 按特点分：表面力和质量力。按特点分：表面力和质量力。1.表面力表面力 作用于液体的表面，其大小与受作用作用于液体的表面，其大小与受作用的表面面积成比例的力，称为表面力。如的表面面积成比例的力，称为表面力。如摩擦力、水压力、边界对液体的反作用力摩擦力、水压力、边界对液体的反作用力2.质量力质量力质量力是作用在每个液体质点上其大小质量力是作用在每个液体质点上其大小与液体的质量成正比。如重力、惯性力。与液体的质量成正比。如重力、惯性力。单位质量液体所受到的质量力，称为单位质量液体所受到的质量力，称为单位质量力，用单位质量力，用表示。表示。单位质量力在三个坐标轴的投影单位质量力在三个坐标轴的投影五五. .水力学的研究方法水力学的研究方法1.1.理论分析理论分析2.2.科学试验科学试验经典力学的基本原理：经典力学的基本原理：牛顿的三大定律、动量定律、动能定律牛顿的三大定律、动量定律、动能定律水流运动的基本方程式：水流运动的基本方程式：连续性方程、能量方程、动量方程连续性方程、能量方程、动量方程1.理论分析理论分析2.2.科学试验科学试验（1 1）原型观测）原型观测（2 2）模型试验）模型试验（3 3）系统试验）系统试验（4 4）数值模拟）数值模拟（1 1）原型观测）原型观测 在野外或水工建筑物现场，对水流运动在野外或水工建筑物现场，对水流运动进行观测，收集第一性资料，为检验理论分进行观测，收集第一性资料，为检验理论分析成果或总结某些基本规律提供依据。析成果或总结某些基本规律提供依据。（2 2）模型试验）模型试验 当实际水流运动复杂，而理论分析困难，无法当实际水流运动复杂，而理论分析困难，无法解决实际工程的水力学问题时采用。解决实际工程的水力学问题时采用。 指在实验室内，以水力相似理论为指导，把实指在实验室内，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，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原型的成果以满足工程设计的需要似关系换算为原型的成果以满足工程设计的需要（3 3）系统试验）系统试验 在实验室内，小规模的造成某种水流运动，用在实验室内，小规模的造成某种水流运动，用已进行系统的实验观测，从中找到规律。已进行系统的实验观测，从中找到规律。 数理知识数理知识 数据处理方法数据处理方法 量纲分析方法量纲分析方法（4 4）数值模拟）数值模拟 通过求解水流的运动方程来得到模拟区域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。内任意时刻任意位置力和运动要素的值。 先进性：采用计算机、流体计算软件等高新技先进性：采用计算机、流体计算软件等高新技术。术。经济性：可给定不同的边界条件，进行大量的经济性：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模拟，给出足够多的力和运动要素值以进行分析。析。本章小结本章小结1. 1. 水力学的定义。水力学的定义。 2 2水水力力学学的的任任务务：研研究究以以水水为为代代表表的机械运动规律及其在工程中的应用。的机械运动规律及其在工程中的应用。 3 3液液体体的的基基本本特特性性：易易流流动动性性、不不易压缩、均匀等向的连续介质。易压缩、均匀等向的连续介质。4 4液液体体的的主主要要物物理理特特征征：惯惯性性. .重重力力特特性性. .均均质质液液体体的的质质量量与与密密度度. .粘粘滞滞性性. .压压缩缩性性. .表面张力特性表面张力特性. .和汽化压强。和汽化压强。 其其中中粘粘滞滞性性是是本本章章的的重重点点，掌掌握握牛牛顿顿内内摩摩擦擦定定律律的的物物理理意意义义，其其适适用用条条件件是是层层流流运运动和牛顿液体。动和牛顿液体。 5 5理想液体的概念：无粘性的液体。理想液体的概念：无粘性的液体。6 6作用在液体上的力：质量力和表面力。作用在液体上的力：质量力和表面力。（1）质质量量力力：作作用用在在液液体体内内部部每每个个质质点点上上，并且与液体质量成正比。并且与液体质量成正比。（2）表表面面力力：作作用用在在液液体体上上，并并且且与与表表面面积成正比。积成正比。