水力学 第1章绪论

1、1 第第1 1章章 绪论绪论1.1 1.1 水力学及其任务水力学及其任务1.2 1.2 作用在液体上的力作用在液体上的力1.3 1.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质2力学力学是研究物体机械运动规律的科学。是研究物体机械运动规律的科学。按研究对象的物态区分：按研究对象的物态区分： 固体力学固体力学 流体力学流体力学 理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、板壳力学、塑性力学、断裂力学、机械振动、板壳力学、塑性力学、断裂力学、机械振动、声学、计算力学、有限元分析等声学、计算力学、有限元分析等 流体力学包括流体力学、流体力学包括流体力学、水力学水力学、

2、工程流、工程流体力学、环境流体力学、流体动力学等体力学、环境流体力学、流体动力学等 根据研究对象所建立的模型不同区分：根据研究对象所建立的模型不同区分： 质点力学、刚体力学、连续介质力学质点力学、刚体力学、连续介质力学 连续介质通常分为固体和流体，固体包括连续介质通常分为固体和流体，固体包括弹性体和塑性体，流体包括液体和气体。弹性体和塑性体，流体包括液体和气体。 流体是液体与气体的统称。流体是液体与气体的统称。流体力学是研究流体机械运动规律的科学。流体力学是研究流体机械运动规律的科学。水力学是流体力学的一个分支。水力学是流体力学的一个分支。第1章 绪论3水动力学空气动力学流体力学经典流体力学现

3、代流体力学计算流体力学理想流体理想流体水力学水力学理想流体理想流体实际流体实际流体数值方法数值方法第1章 绪论4第1章 绪论流体力学基本原理质量守恒定律能量守恒定律动量守恒牛顿运动定律热力学定律5水力学水力学是研究是研究液体液体机械运动规律及其应用的科学。机械运动规律及其应用的科学。水力学的研究内容：研究静止、运动状态时，作用在液体上各种力之水力学的研究内容：研究静止、运动状态时，作用在液体上各种力之间的关系以及各种力与运动要素之间的关系。间的关系以及各种力与运动要素之间的关系。水力学包括水静力学和水动力学。水力学包括水静力学和水动力学。关于液体平衡规关于液体平衡规律，即静止或相律，即静止或相

4、对静止时，作用对静止时，作用在液体上各种力在液体上各种力之间的关系。之间的关系。关于液体运动规律，研究关于液体运动规律，研究液体在运动状态时，作用液体在运动状态时，作用在液体上的力与运动要素在液体上的力与运动要素之间的关系，液体的运动之间的关系，液体的运动特性与能量转换。特性与能量转换。1.1 水力学及其任务水力学及其任务第1章 绪论6第1章 绪论1.1 水力学及其任务水力学的理论基础：质量守恒定律水力学的理论基础：质量守恒定律 牛顿运动定律牛顿运动定律 能量转化和守恒定律能量转化和守恒定律液体基本特征液体基本特征： （1）具有流动性具有流动性，抗剪和抗张能力很小，只能能承受压力；，抗剪和抗张

5、能力很小，只能能承受压力； （2）无固定形状无固定形状，随容器的形状而变化；，随容器的形状而变化； （3）在外力作用下其）在外力作用下其内部发生相对运动内部发生相对运动。流体质点：与流动空间相比体积可以忽略不计而又具有一定质量的液流体质点：与流动空间相比体积可以忽略不计而又具有一定质量的液体微团。体微团。连续介质假定：液体是由密集质点构成的、内部无空隙的连续体。连续介质假定：液体是由密集质点构成的、内部无空隙的连续体。水力学研究方法：水力学研究方法：（1）理论分析：提出物理模型；建立数学模型；解析求解。）理论分析：提出物理模型；建立数学模型；解析求解。（2）实验研究：观察与测量具体流动。）实验

6、研究：观察与测量具体流动。（3）数值计算：建立数值模型，通过计算机计算，定量描述流场。）数值计算：建立数值模型，通过计算机计算，定量描述流场。7第1章 绪论1.1 水力学及其任务水力学的应用：水力学是水利、土木、给排水、环保、能源、航运、海洋、水力学的应用：水力学是水利、土木、给排水、环保、能源、航运、海洋、机械、化工、矿业等工程技术领域的重要技术基础学科。机械、化工、矿业等工程技术领域的重要技术基础学科。有压管流有压管流8第1章 绪论1.1 水力学及其任务明渠水流明渠水流堰堰 流流9第1章 绪论1.1 水力学及其任务堰闸出流堰闸出流孔口管嘴出流孔口管嘴出流射流射流10第1章 绪论1.1 水力

7、学及其任务渗渗 流流11第1章 绪论1.1 水力学及其任务船闸船闸航标航标船舶船舶12第1章 绪论1.1 水力学及其任务泄洪洞泄洪洞消力墩消力墩13第1章 绪论1.1 水力学及其任务水轮机水轮机水泵站水泵站14第1章 绪论1.1 水力学及其任务污水处理污水处理15第1章 绪论1.1 水力学及其任务16第1章 绪论1.1 水力学及其任务水力学的任务：水力学的任务：（1）水力荷载水力荷载问题：液体对固体的作用力（静荷载）。问题：液体对固体的作用力（静荷载）。（2）输水（泄水）能力输水（泄水）能力：液体通过各种输运管道和构筑物等在：液体通过各种输运管道和构筑物等在各种水流条件下的通过流量大小及其影响

8、因素。各种水流条件下的通过流量大小及其影响因素。（3）水力形态水力形态及其演变：水流形态、漩涡运动、气蚀、动荷载及其演变：水流形态、漩涡运动、气蚀、动荷载 。17第1章 绪论1.2 作用在液体上的力作用在液体上的力1.2.1表面力表面力1.2 作用在液体上的力表面力表面力：周围流体对边界面作用的接触力。：周围流体对边界面作用的接触力。质量力质量力：质量力场对此体积中的流体质量所作用的力。：质量力场对此体积中的流体质量所作用的力。物体由于外因而变形时，在物体内产生相互物体由于外因而变形时，在物体内产生相互作用的内力，力图使物体从变形后的位置回作用的内力，力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置

9、。在所考察的截面某一点复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为单位面积上的内力称为应力应力。同截面垂直的称为正应力或同截面垂直的称为正应力或法向应力法向应力，同截面，同截面相切的称为剪应力或相切的称为剪应力或切应力切应力。18第1章 绪论1.2 作用在液体上的力dAdFAFpPPAlim0dAdFAFVVAlim0 压应力压应力(1-3)切应力切应力(1-4) kFjFiFFbzbybxb 1.2.2质量力质量力(1-5)质量力：质量力：【例】在重力场中质量为【例】在重力场中质量为m m的流体，质量力为的流体，质量力为mgmg；加速度为加速度为a a、质量为、质量为m m的物

10、体，其质量力即惯性力为的物体，其质量力即惯性力为-ma-ma。19第1章 绪论1.2 作用在液体上的力kZjYiXkmFjmFimFmFfbzbybxbb单位质量力：单位质量力：(1-6)【例】重力场中，单位质量力的值等于重力加速度【例】重力场中，单位质量力的值等于重力加速度g g，其方向为铅垂指向地面。，其方向为铅垂指向地面。gZYaX0)(00agZYXsin0cosagZYaX【例】求下图重力场中各种运动状态下单位质量力分量。【例】求下图重力场中各种运动状态下单位质量力分量。20第1章 绪论1.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质1.3 液体的主要物理性质dVdmVmVlim0 1.

11、3.1惯性惯性惯性是物体维持原有运动状态的性质。惯性是物体维持原有运动状态的性质。质量是惯性大小的度量。质量是惯性大小的度量。密度是单位体积的质量：密度是单位体积的质量：液体密度随压强和温度的变化量很小。液体密度随压强和温度的变化量很小。(1-8)100004Cd水，G重度重度单位体积内流体的重量单位体积内流体的重量比重比重又称相对密度，物质的密度与又称相对密度，物质的密度与4水的密度之比水的密度之比1m比容比容单位质量流体具有的体积单位质量流体具有的体积21第1章 绪论1.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质1.3 液体的主要物理性质由于液体相对运动产生内摩擦力以抵抗由于液体相对运动产生

12、内摩擦力以抵抗其运动的性质，即液体的内摩擦特性。其运动的性质，即液体的内摩擦特性。1.3.2黏滞性黏滞性dyduAFVdyduAFV （1-9）牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律（1-10）22第1章 绪论1.3 液体的主要物理性质运动粘度：运动粘度： （1-11）理想流体理想流体：指不存在粘滞性，或粘度为零的液体。：指不存在粘滞性，或粘度为零的液体。牛顿流体牛顿流体：符合牛顿粘性定律。：符合牛顿粘性定律。非牛顿流体：不符合牛顿粘性定律。非牛顿流体：不符合牛顿粘性定律。理想流体中不出现切向力。理想流体中不出现切向力。粘性只有在运动时才能显现出来。粘性只有在运动时才能显现出来。 速度梯度最大之处剪应力

13、亦最大；速速度梯度最大之处剪应力亦最大；速度梯度为零之处剪应力亦为零。度梯度为零之处剪应力亦为零。23第1章 绪论1.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质1.3 液体的主要物理性质1.3.3压缩性和热胀性压缩性和热胀性),(pTtzyxf),(pTfdTdpdTTdppdT11流体的密度函数流体的密度函数当当则则dpVdVk/dpdk/ddpdVdpVkK1 （1-14）体积模量：体积模量：（1-13）（1-12）压缩系数：压缩系数：dTddTVdVV/热胀系数：热胀系数： （1-15） 压缩性系数等于零的流体被称为不可压缩流体。压缩性系数等于零的流体被称为不可压缩流体。24第1章 绪论1

14、.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质1.3 液体的主要物理性质1.3.4表面张力特性表面张力特性 为表面张力系数，单位为表面张力系数，单位N/m，与液体的物理性质有关，特别与液，与液体的物理性质有关，特别与液体的温度有关。体的温度有关。 lJ 流体的表面有自动收缩的趋势，是因为表面张力的作用。流体的表面有自动收缩的趋势，是因为表面张力的作用。 表面张力，以表面张力，以J表示表示25第1章 绪论1.3 液体的主要物理性质不同液体具有不同的表面张力。不同液体具有不同的表面张力。处在界面附近的液体，会产生表面张力。处在界面附近的液体，会产生表面张力。表面张力对流动产生的影响一般很小，同其它作用

15、力相比通常可以忽略。表面张力对流动产生的影响一般很小，同其它作用力相比通常可以忽略。液体中溶有其它物质时，表面张力也将随物质及其浓度的不同而发生变化。液体中溶有其它物质时，表面张力也将随物质及其浓度的不同而发生变化。 液体的表面张力，随温度升高而降低。液体的表面张力，随温度升高而降低。由于表面张力很小，水力学中一般不考虑。由于表面张力很小，水力学中一般不考虑。 26第1章 绪论1.3 液体的主要物理性质液体表面弯曲会出现表面张力。液体表面弯曲会出现表面张力。在液体表面弯曲平衡时，曲面两侧所产在液体表面弯曲平衡时，曲面两侧所产生的压力差是由表面张力引起的附加压生的压力差是由表面张力引起的附加压力

16、，称为毛细压力。力，称为毛细压力。当液体表面与固体表面接触时，由于液当液体表面与固体表面接触时，由于液面与固面的湿润性，引起液面的弯曲。面与固面的湿润性，引起液面的弯曲。27第1章 绪论1.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质1.3 液体的主要物理性质在液体表面，汽化与凝结同时存在，当两个过程达到动平衡时在液体表面，汽化与凝结同时存在，当两个过程达到动平衡时的蒸汽称为的蒸汽称为饱和蒸汽饱和蒸汽。饱和蒸汽所产生的压强称为饱和蒸汽所产生的压强称为饱和蒸汽压饱和蒸汽压（或汽化压强）。（或汽化压强）。液体的汽化压强与温度有关。液体的汽化压强与温度有关。温度一定时，当液体某处的压强低于其汽化压强时，

17、也会产温度一定时，当液体某处的压强低于其汽化压强时，也会产生汽化，即产生生汽化，即产生气蚀气蚀现象。现象。1.3.5汽化压强特性汽化压强特性汽化汽化：液体分子逸出液面向空间扩散的过程，液体汽化为蒸汽。：液体分子逸出液面向空间扩散的过程，液体汽化为蒸汽。汽化的逆过程称为汽化的逆过程称为凝结凝结，蒸汽冷凝为液体。，蒸汽冷凝为液体。28第1章 绪论1.3 液体的主要物理性质水泵气蚀阀门气蚀29第1章 绪论思考题思考题1、按连续介质的概念，流体质点是指（、按连续介质的概念，流体质点是指（ ）。）。 A 流体的分子流体的分子 B 流体内的固体颗粒流体内的固体颗粒 C 几何的点几何的点 D 几何尺寸同空间

18、相比是极小量，又含有大量分子的微元体几何尺寸同空间相比是极小量，又含有大量分子的微元体2、作用于流体的质量力包括（、作用于流体的质量力包括（ ）。）。 A 压力压力 B 摩擦阻力摩擦阻力 C 重力重力 D 表面张力表面张力3、单位质量力的国际单位是（、单位质量力的国际单位是（ ）。）。 A N B m/s C N/kg D m/s24、与牛顿内摩擦定律直接有关的因素是（、与牛顿内摩擦定律直接有关的因素是（ ）。）。 A 切应力和压强切应力和压强 B 切应力和剪切变形速度切应力和剪切变形速度 C 切应力和剪切变形切应力和剪切变形 D 压缩性与粘度压缩性与粘度30第1章 绪论5、水的粘度随温度的升高（、水