水力学-第一章绪论

1、2021-11-1长安大学1水力学与桥涵水文长安大学公路灾害防治研究所 齐洪亮2021-11-1长安大学2水力学与桥水力学与桥涵水文涵水文是桥是桥梁、公路与城梁、公路与城市道路等相关市道路等相关交通工程专业交通工程专业的一门的一门技术基技术基础课础课，侧重介，侧重介绍有关基础原绍有关基础原理与方法，以理与方法，以解决工作中的解决工作中的相关技术问题。相关技术问题。水力学水力学水力学为桥涵水力学为桥涵孔径、管道渠孔径、管道渠道等的设计提道等的设计提供基本理论。供基本理论。水文学水文学水文分析与计水文分析与计算的结果则是算的结果则是水力学理论计水力学理论计算必不可少的算必不可少的数据。数据。桥涵设

2、计桥涵设计水力水文计算水力水文计算结果则是桥涵结果则是桥涵布设与结构设布设与结构设计的依据。计的依据。2021-11-1长安大学32021-11-1长安大学42021-11-1长安大学52021-11-1长安大学6教材：水力学、桥涵水文（第四版），主编：王亚玲；人民交通出版社；课时：64学时，实验8学时；成绩构成：考试（70%）+实验（20%）+作业（10%）2021-11-1长安大学7第一章 绪论齐洪亮p水力学及其应用p液体的主要物理性质p连续介质和理想液体p作用在液体上的力2021-11-1长安大学9水力学属于物理学中力学的一个分支;它的任务是以水为模型研究液体平衡与运动的规律、侧重于演绎

3、推导及原理方法的应用;在交通土建、市政工程、水利、环境保护、机械制造、石油工业、金属冶炼、化学工业等方面都有广泛的应用。2021-11-1长安大学10水力学：主要研究以水为代表的液体的平衡和机械运动规律及其实际应用的一门学科。从学科的角度来看，水力学是介于基础科学和工程技术之间的一门科学。一方面根据基础科学中的普遍规律，结合水流特点，建立理论基础，同时又紧密联系工程实践发展学科内容。2021-11-1长安大学11p水力学广泛应用于土木工程的各个领域。2021-11-1长安大学12常见水力学问题p构筑物（大坝、挡墙等）所受的水力荷载p构筑物（涵洞、河渠等）的过水能力p水流的流动形态及水面曲线 p

4、水流的能量消耗及下游建筑物的消能p水力学的主要研究课题：2021-11-1长安大学13n作用于建筑物表面上静水总压力n水动力学基本定律n明渠流n泄水建筑物下游的水流衔接与消能n堰流及小桥涵水力计算p水力学的发展：2021-11-1长安大学14水力学古代水力学（以没有阻力的“理想液体”为研究对象） 数学家或者物理学家，理论“水动力学”或古典流体力学伯努利（D.I.Bernouli），1738年理想流体运动的能量方程；欧拉（L.Euler），1755年理想流体运动微分方程土木工程师，实验水力学皮托（H.Pitot）（1732年皮托管）、谢才（A.de Chezy）（1769年谢才公式）、达西（H.

5、Darcy）（1856年的达西定律）、雷诺（O.Reynolds）（1883年提出的雷诺试验）现代水力学（以有阻力的“实际液体”为研究对象） 实验水力学p水力学的主要研究方法：2021-11-1长安大学15 通过对液体物理性质和流动特性的科学抽象（近似），提出合理的理论模理论模型型。根据机械运动的普遍规律，将具体流动问题转化为数学问题，在相应的边界条件和初始条件下求解。关键在于提出理论模型。但由于数学上的困难，许多实际流动问题还难以精确求解。质量守恒、能量转化与守恒等。质量守恒、能量转化与守恒等。理论研究方法 应用流体力学是一门理论和实践紧密结合的基础学科。它的许多实用公式和系数都是由实验得来

6、的。至今，工程中的许多问题，还要借助实验检验修正。试验方法：原型观测、模型试验等。实验研究基础理论：相似理论、试验方法：原型观测、模型试验等。实验研究基础理论：相似理论、量纲分析（因次分析）。量纲分析（因次分析）。实验研究方法 在计算机应用的基础上，采用各种离散化方法（有限差分法、有限元法等），建立数值模型，通过计算机进行数值计算和数值实验，最终获得定量描述流场的数值解。近二三十年来，这一方法得到很大发展，已形成专门学科计算流体力学。计算流体力学。数值研究方法 2021-11-1长安大学16一、一、量纲量纲：表示物理量的特征。量纲的分类：量纲的分类：基本量纲和导出量纲。1 1、基本量纲：、基本

7、量纲：必须具有独立性，即一个量纲不能从其它基本量纲推导出来，也就是不依赖于其它基本量纲。如如L、T和M是相互独立的，不能从L、T中得出M，也不能从M、T中得出L，但L、T和速度的量纲V就不是相互独立的，因为V=L/T。如：长度、时间、质量等。在科学文献中，一般用符号来表示量纲。例如：长度或L、 时间或T 、质量或M 。量纲和单位量纲和单位2021-11-1长安大学17量纲和单位量纲和单位2 2、导出量纲：、导出量纲：其它物理量的量纲可以由基本量纲推导出来。如：X为任意物理量，其量纲可表示为：X=LTM又如：面积A=L2T0M0、速度V=L1T-1M0二、二、单位单位：表征物理量的大小。国际单位

8、制（SI）：米、秒、公斤。2021-11-1长安大学18一、液体的一、液体的密度和重度密度和重度1、均质液体单位体积内所含的质量即：VMM-均质液体的质量V-该质量的液体所占的体积国际单位：公斤/米3 （ kg/m3）2、非均质液体中，各点的密度不同；均质液体的重度是：单位体积的液体的重量。gVmg国际单位：牛顿/米3 （N/m3) 2021-11-1长安大学191、压缩性：受压时体积缩小、除压后体积恢复的性质。二、二、液体的液体的压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性2、压缩系数：衡量压缩性的大小，用表示（m2/N）。即：每增加单位压力，体积压缩的相对值。dpVdV体积弹性模量E：体积压缩系数的倒数。

9、1d pEd VV 水的压缩性很小，增加一个大气压，水的体积相对压缩值为1/20000，故认为水是不可压缩的液体不可压缩的液体。 3、膨胀性：在一定的压强下，温度增加1度，体积的相对增加率。td VVd t2021-11-1长安大学20三、粘滞性三、粘滞性 当液体处在运动状态时，若液体质点之间存在着当液体处在运动状态时，若液体质点之间存在着相对运动相对运动，则质点间要产，则质点间要产生生内摩擦力内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为液体的抵抗其相对运动，这种性质称为液体的粘滞性粘滞性。 又称为粘滞力又称为粘滞力牛顿平板实验：牛顿平板实验： 实验表明:内摩擦力与相邻运动液体层的接触面积成正比、与速

10、度梯度成正比、与液体性质有关、与压力的大小无关。牛顿内擦牛顿内擦定律定律: : duTAdyTduAdy注意：（1）对于平衡液体，du/dy =0，所以在平衡液体中不呈现内摩擦力。 （2）在水力学中，为了简化分析，引入没有粘性的理想液体模型， 即=0，从而 =0。在研究“实际液体”时，必须考虑粘性引起的偏差。2021-11-1长安大学21液体的粘滞性特征用表示，数值越大粘性越大，称为动力粘滞系数。水力学中，常与液体的密度同时出现，故引入运动粘滞系数综合反映液体的粘滞性和惯性性质: = /，单位：m2/s运动粘滞系数的主要影响因素：液体的种类、液体的温度。对于水20.017751 0.03370

11、.000221tt式中水温t以C计，以cm2/s计。2021-11-1长安大学22例1-1. 一底面积为40cm45cm，高1cm的木块，质量为5kg，沿着涂有润滑油的斜面等速向下运动。已知速度v=1m/s，=1mm，求润滑油的动力粘度系数。dydu/45. 040. 0vdyduAT解：设木块所受的摩擦力为T。 木块均匀下滑, T - Gsin=0 T=Gsin=59.85/13=18.8N 又有牛顿剪切公式=T/(Av)=18.80.001/(0.400.451)=0.105PaS吹肥皂泡的少年法夏尔丹液体表层的分子受到上下两侧分子的引力不同，在引力合力的作用下，结果导致液体表面具有自动缩

12、小的趋势，液体表面仿佛是一张拉紧的弹性膜。从宏观上看，这种存在于液体表面上的拉力称为液体的表面张力。表面张力系数，单位为N/m，随液体种类和温度而变化。t=20时，水=0.074N/m ；水银=0.54N/m。水力学中通常不考虑，在实验室和地下水等表面张力影响较为显著时，不能忽略。日常生活中常见的表面张力现象：水面高于碗口而不溢出等。2021-11-1长安大学23四、表面张力和毛细现象四、表面张力和毛细现象1F2FNM表面张力决定了液体和固体接触时，会出现不浸润和浸润两种现象。液体的浸润性是相对的。毛细现象：侵润液体在细管内液面升高的现象和不侵润液体在细管内液面降低的现象。毛细现象的实质：液体

13、分子内聚力与液体固体界面附着力的差异。生活中常见的毛细现象、利弊及预防。2021-11-1长安大学24四、表面张力和毛细现象四、表面张力和毛细现象毛细水能上升多高呢？毛细水能上升高度与哪些因素有关呢？设毛细管半径为r，表面张力为T，液面与固体界面接触角为，表面张力系数为，液柱上升高度为H，当液柱重力G与表面张力垂直向上分力相等时，毛细上升结束，则：Tcos =2r cos =r2Hg=r2HH=2 cos /r，与管径成反比。0（水）；=90时，液面为水平，H=0；90时，液面为凸形，H0（水银）；2021-11-1长安大学25四、表面张力和毛细现象四、表面张力和毛细现象2021-11-1长安

14、大学261 1、连续介质假设、连续介质假设流体微观特征由大量分子组成，分子间距大，运动剧烈无规则分子间隙随机变化，运动物理量时间、空间分布不连续流体理论研究特征从宏观层面研究流体的力学行为，宏观运动体现微观运动的平均情况宏观研究结论能满足实际精度要求，主要研究方法为高等数学1cm3 水中含有大约3.341022个分子分子间距约为：310-8cm分子直径约为：410-8cm液体质点完全充满所占空间而没有任何空虚存在，其物理性质和运动要素在空间和时间上都是连续分布的，满足一定的物理定律。2021-11-1长安大学272 2、理想液体、理想液体研究方法：先对理想液体的运动进行理论分析，然后再用实验研

15、究方法检验，并作必要的修正后，再应用到实际液体中去。实际液体特征粘滞性压缩性/膨胀性表面张力质量力、重力理想液体特征没有粘滞性不考虑压缩性和膨胀性没有表面张力仅有质量力和重力2021-11-1长安大学28由于研究对象的尺度较大，在水力学中，常常从液体中分离出一封闭表面所包围的液体作为研究对象，研究其平衡或者运动规律。所以，作用在液体上的力，就是作用在隔离体上的力。按力的物理性质，作用在液体上的力可以分为：重力、粘滞力、惯性力、压力和表面张力等。方便起见，将其分为：表面力和质量力。表面力：作用在隔离体表面上的力，是接触性力，具有传递性。可以分为：法向力（垂直于隔离体表面，只能为压力，压应力或者压强）和切向力（平行于作用面，与液体的粘滞性有关，切应力）。FPTAAV法向应力pA周围流体作用的表面力切向应力2021-11-1长安大学29质量力：作用在所取液体体积内每一质点上的力，其大小与质量成正比，称为质量力，或者体