水力学 第1章 绪论

1、水水 力力 学学教教 学学 内内 容容第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 水静力学水静力学第三章第三章 水动力学基础水动力学基础第四章第四章 水头损失水头损失第五章第五章 有压管道的恒定流动有压管道的恒定流动第六章第六章 明渠均匀流明渠均匀流第七章第七章 堰流堰流第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 水力学的研究内容与研究方法水力学的研究内容与研究方法 水力学是研究液体水力学是研究液体机械运动规律机械运动规律及其及其实际应用实际应用的一门科学的一门科学, , 研究的对象主要是水。研究的对象主要是水。 水力学与力学、物理学、数学是交叉学科，是水力学与力学、物理学、数学是交叉学科，是力学的一个分支

2、。力学的一个分支。水力学作为水力学作为学科学科而诞生始于水静力学。而诞生始于水静力学。 公元前公元前400400余年，中国余年，中国墨翟墨翟在在墨经墨经中，中，已有了浮力与排液体积之间关系的设想；公元前已有了浮力与排液体积之间关系的设想；公元前250250年，年，阿基米德阿基米德在在论浮体论浮体中，阐明了浮体中，阐明了浮体和潜体的有效重力计算方法。和潜体的有效重力计算方法。 1586 1586年年德国数学家德国数学家斯蒂文提出水静力学方斯蒂文提出水静力学方程。十七世纪中叶，法国程。十七世纪中叶，法国帕斯卡帕斯卡提出液压等值提出液压等值传递的传递的帕斯卡原理帕斯卡原理。水动力学水动力学的发展是与

3、水利工程兴建相联系。的发展是与水利工程兴建相联系。 公元前公元前3 3世纪末，中国秦代修建规模巨大的世纪末，中国秦代修建规模巨大的都都江堰江堰、灵渠灵渠和和郑国渠郑国渠。汉初利用山溪水流作动力。汉初利用山溪水流作动力。此后在历代防洪及航运工程上积累了丰富的经验。此后在历代防洪及航运工程上积累了丰富的经验。 文艺复兴期间，意大利人文艺复兴期间，意大利人达达 芬奇芬奇在实验水力在实验水力学方面获得巨大的进展，他用悬浮砂粒在玻璃槽学方面获得巨大的进展，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。波的传播、反射和干涉。水

4、动力学水动力学的发展是与水利工程兴建相联系。的发展是与水利工程兴建相联系。 1818世纪初叶，经典水动力学有迅速的发展，世纪初叶，经典水动力学有迅速的发展，欧拉欧拉和和丹尼尔丹尼尔 伯努利伯努利是这一领域中杰出的先驱者。是这一领域中杰出的先驱者。 1818世纪末和整个世纪末和整个1919世纪，形成了两个相互独立世纪，形成了两个相互独立的研究方向：一是运用的研究方向：一是运用数学分析数学分析的理论流体动力学；的理论流体动力学；一是依靠一是依靠实验实验的应用水力学。开尔文、瑞利、斯托的应用水力学。开尔文、瑞利、斯托克斯、兰姆等人的工作使理论水平达到相当的高度，克斯、兰姆等人的工作使理论水平达到相当

5、的高度，而谢才、达西、巴赞、弗朗西斯、曼宁等人则在应而谢才、达西、巴赞、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公式。实用的经验公式。水动力学水动力学的发展是与水利工程兴建相联系。的发展是与水利工程兴建相联系。 1919世纪末，世纪末，实验与数学分析相结合，理论成果实验与数学分析相结合，理论成果有有雷诺理论雷诺理论及实验研究；雷诺的及实验研究；雷诺的因次分析因次分析；弗劳德弗劳德的船舶模型实验；空气动力学的迅速发展。的船舶模型实验；空气动力学的迅速发展。2020世纪世纪初的重要突破是初的重要突破是普朗特的边界层理

6、论普朗特的边界层理论，它把无粘性，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。理论和粘性理论在边界层概念的基础上联系起来。水动力学水动力学的发展是与水利工程兴建相联系。的发展是与水利工程兴建相联系。 2020世纪世纪，水力学的发展更加成熟，已能解决许，水力学的发展更加成熟，已能解决许多工程问题。多工程问题。 高浓度泥沙河流的治理；高水头水力发电的开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；河流湖泊发；输油干管的敷设；采油平台的建造；河流湖泊海港污染的防治等海港污染的防治等。 水力学的研究方向不断发展，从定床水力学转水力学的研究方向不断发展，从定床水力

7、学转向动床水力学向动床水力学 ；从单向流动到多相流动；从牛顿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；从一般水流到产生渗气、气蚀，污染物浓度分布；从一般水流到产生渗气、气蚀，引起振动的高速水流引起振动的高速水流。 以以电子计算机电子计算机应用为主要手段的计算水力学也应用为主要手段的计算水力学也得到了相应的发展。水力学作为一门以实用为目的得到了相应的发展。水力学作为一门以实用为目的的学科将逐渐与的学科将逐渐与流体力学流体力学合流合流。 莱昂哈德莱昂哈德欧拉（欧拉（LeonhardLeonhard Euler

8、Euler，17071707年年4 4月月1515日日17831783年年9 9月月1818日）是瑞士日）是瑞士数学家数学家和和物物理学家理学家。他被称为历史上最伟。他被称为历史上最伟大的两位数学家之一大的两位数学家之一 。 欧拉是欧拉是流体力学流体力学的奠基者，他认为的奠基者，他认为质点动质点动力学微分方程力学微分方程可以应用于液体（可以应用于液体（17501750）。他发）。他发现描述流体的运动的方法，即根据空间固定点现描述流体的运动的方法，即根据空间固定点描述流体速度场。称为描述流体速度场。称为欧拉法欧拉法。欧拉奠定了理。欧拉奠定了理想流体的理论基础，给出了反映想流体的理论基础，给出了反

9、映质量守恒的连质量守恒的连续方程续方程（17521752）和反映动量变化规律的）和反映动量变化规律的流体动流体动力学方程力学方程。 雷诺（雷诺（O.ReynoldsO.Reynolds，1842184219121912）。）。英国力学家、物理学家和工程师。英国力学家、物理学家和工程师。18671867年毕业于剑桥大学王后学院。年毕业于剑桥大学王后学院。18681868年出任曼彻斯特欧文学院的首年出任曼彻斯特欧文学院的首席工程学教授。席工程学教授。18771877年当选为皇家年当选为皇家学会会员。学会会员。18881888年获皇家勋章。年获皇家勋章。 雷诺于雷诺于18831883年发表了一篇经典

10、性论文年发表了一篇经典性论文决定决定水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨的阻力定律的探讨。这篇文章以实验结果说明。这篇文章以实验结果说明水流分为层流与紊流两种形态，并提出以无量纲水流分为层流与紊流两种形态，并提出以无量纲数数ReRe（后称为雷诺数）作为判别两种流态的标准。（后称为雷诺数）作为判别两种流态的标准。 雷诺（雷诺（O.ReynoldsO.Reynolds，1842184219121912）。）。英国力学家、物理学家和工程师。英国力学家、物理学家和工程师。18671867年毕业于剑桥大学王后学院。年毕业于剑桥大学王后学院。

11、18681868年出任曼彻斯特欧文学院的首年出任曼彻斯特欧文学院的首席工程学教授。席工程学教授。18771877年当选为皇家年当选为皇家学会会员。学会会员。18881888年获皇家勋章。年获皇家勋章。 雷诺雷诺18951895年在湍流中引入有关应力的概念。雷诺年在湍流中引入有关应力的概念。雷诺一生著作很多，其中近一生著作很多，其中近7070篇论文都有很深远的影篇论文都有很深远的影响。这些论文研究的内容包括力学、热力学、电响。这些论文研究的内容包括力学、热力学、电学、航空学、蒸汽机特性等。他的成果曾汇编成学、航空学、蒸汽机特性等。他的成果曾汇编成雷诺力学和物理学课题论文集雷诺力学和物理学课题论文

12、集两卷。两卷。 拉格朗日科学研究所涉及的领域极其广泛。他在拉格朗日科学研究所涉及的领域极其广泛。他在数学上最突出的贡献是使数学分析与几何与力学数学上最突出的贡献是使数学分析与几何与力学脱离开来，使数学的独立性更为清楚，从此数学脱离开来，使数学的独立性更为清楚，从此数学不再仅仅是其他学科的工具。不再仅仅是其他学科的工具。 （ Joseph-Louis Lagrange 17361736-18131813）法国著名数学家、物理）法国著名数学家、物理学家。他在数学、力学和天文学家。他在数学、力学和天文学三个学科领域中都有历史性学三个学科领域中都有历史性的贡献，其中尤以数学方面的的贡献，其中尤以数学方

13、面的成就最为突出。成就最为突出。 关于月球运动、行星运动、轨道计算、两个不动关于月球运动、行星运动、轨道计算、两个不动中心问题、流体力学等方面的成果，在使天文学中心问题、流体力学等方面的成果，在使天文学力学化、力学分析化上，也起到了历史性的作用，力学化、力学分析化上，也起到了历史性的作用，促进了力学和天体力学的进一步发展，成为这些促进了力学和天体力学的进一步发展，成为这些领域的开创性或奠基性研究。拉格朗日对流体运领域的开创性或奠基性研究。拉格朗日对流体运动的理论也有重要贡献，提出了描述流体运动的动的理论也有重要贡献，提出了描述流体运动的拉格朗日方法拉格朗日方法。 （ Joseph-Louis

14、Lagrange 17361736-18131813）法国著名数学家、物理）法国著名数学家、物理学家。他在数学、力学和天文学家。他在数学、力学和天文学三个学科领域中都有历史性学三个学科领域中都有历史性的贡献，其中尤以数学方面的的贡献，其中尤以数学方面的成就最为突出。成就最为突出。 ( (Daniel Bernoulli 1700 17001782)1782)瑞瑞士物理学家、数学家、医学家。士物理学家、数学家、医学家。伯努利在伯努利在2525岁时岁时(1725)(1725)就应聘为就应聘为圣彼得堡科学院的数学院士。先圣彼得堡科学院的数学院士。先任解剖学教授，后任动力学教授，任解剖学教授，后任动力

15、学教授，17501750年成为物理学教授。年成为物理学教授。 出版了经典著作出版了经典著作流体动力学流体动力学(1738(1738年年) )；研究；研究弹性弦的横向振动问题，提出声音在空气中的传弹性弦的横向振动问题，提出声音在空气中的传播规律。他的论著还涉及天文学、地球引力、潮播规律。他的论著还涉及天文学、地球引力、潮汐、磁学，振动理论、船体航行的稳定和生理学汐、磁学，振动理论、船体航行的稳定和生理学等。等。1.1 1.1 水力学的研究内容与研究方法水力学的研究内容与研究方法 水力学是研究液体水力学是研究液体机械运动规律机械运动规律及其及其实际应用实际应用的一门科学的一门科学, , 研究的对象

16、主要是水。研究的对象主要是水。 水力学与力学、物理学、数学是交叉学科，是水力学与力学、物理学、数学是交叉学科，是力学的一个分支。力学的一个分支。液体（介质）液体（介质）具有物理、力学性质。具有物理、力学性质。机械运动机械运动力的作用才能产生机械运动力的作用才能产生机械运动（外力作用下的机械运动对微观运动的研究）（外力作用下的机械运动对微观运动的研究）即不研究液体内部的分子运动。即不研究液体内部的分子运动。规律规律用数学分析方法来研究。用数学分析方法来研究。基本概念：基本概念：流体的特性：流体的特性：流体：流体：气体、液体为流体，不能承受拉力和剪力，气体、液体为流体，不能承受拉力和剪力， 小剪力

17、下将发生连续不断的变形，有易流小剪力下将发生连续不断的变形，有易流 动性（由流体力学来研究）。动性（由流体力学来研究）。液体与气体的区别：液体与气体的区别：液体难以压缩，而气体易于液体难以压缩，而气体易于 压缩。压缩。固体：固体：可以抵抗一定拉力、压力和剪力，当外力可以抵抗一定拉力、压力和剪力，当外力 作用将产生变形（由材料力学、弹性力学作用将产生变形（由材料力学、弹性力学 来研究）来研究）水力学的研究方法：水力学的研究方法：研究方法研究方法理论分析计算理论分析计算原型观测原型观测科学试验科学试验理论分析与试验并重理论分析与试验并重系统试验系统试验模型试验模型试验1.2 1.2 液体的主要物理

18、性质液体的主要物理性质连续介质模型：连续介质模型：依据：依据：液体由大量分子组成，可以认为液体是没液体由大量分子组成，可以认为液体是没有空隙的，液体质点完全充满所占的空间。有空隙的，液体质点完全充满所占的空间。 概念：概念：假设液体是一种充满其所占据空间毫无空假设液体是一种充满其所占据空间毫无空隙的连续体，即把液体作为连续介质看待。隙的连续体，即把液体作为连续介质看待。作用：作用：使液体中的一切物理量都可视为空间坐标使液体中的一切物理量都可视为空间坐标和时间的连续函数。和时间的连续函数。液体的密度：液体的密度： 概念：概念：均质液体单位体积内所含的质量。均质液体单位体积内所含的质量。VM该质量

19、的液体所占的体积该质量的液体所占的体积均质液体的质量均质液体的质量MV国际单位：国际单位：3/kg m非均质液体：非均质液体：微小体积的质量微小体积的质量某点附近的微小体积某点附近的微小体积MVMV时，则该点的时，则该点的密度密度为：为：0V0limVMdMVdV液体的重度（容重）：液体的重度（容重）： 概念：概念：单位体积的液体的重量。单位体积的液体的重量。国际单位：国际单位：3/N mgVmg粘滞性（粘性）：粘滞性（粘性）： 概念：概念：当液体处于运动状态时，若液体质点之间当液体处于运动状态时，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存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵

20、抗其相对运动，这种性质称为粘性。其相对运动，这种性质称为粘性。流速梯度：流速梯度：是指两相邻水层的水流速度差和它们是指两相邻水层的水流速度差和它们之间的距离之比。之间的距离之比。即即：dudyOyuuudududy粘滞性（粘性）：粘滞性（粘性）： TUhyuuduydy平板面积为平板面积为A( )Uu yyhduUdyh实验证明：实验证明：AUThdudy牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：TUAhduTAdy动力粘性系数（粘度）动力粘性系数（粘度）单位：单位：2/Ns m液体温度升高，则液体温度升高，则 降低降低uT气体温度升高，则气体温度升高，则 升高升高uT运动粘性系数运动粘性系数2/ms单

21、位：单位：经验公式：经验公式：20.017751 0.03370.000221tt水温水温（）t单位为单位为2/cms理想液体模型：理想液体模型：为了简化分析，对液体的粘性暂不考虑，为了简化分析，对液体的粘性暂不考虑， 0流体分类：流体分类： 牛顿流体牛顿流体遵循牛顿内摩擦定律的流体遵循牛顿内摩擦定律的流体非牛顿流体非牛顿流体不遵循牛顿内摩擦定律的流体不遵循牛顿内摩擦定律的流体 理想流体理想流体粘性为零的流体称为理想流体粘性为零的流体称为理想流体 压缩性：压缩性： 概念：概念：液体受压后体积缩小，同时其内部将产一液体受压后体积缩小，同时其内部将产一种企图恢复原状的内力（弹性力）与所受压力保种企图恢复