水力学课件第1章

1、1 水力学 (土木工程专业用)华中科技大学华中科技大学土木工程与力学学院力学系土木工程与力学学院力学系陈应华陈应华E-mail:2第一章第一章 绪绪 论论31-1 1-1 水力学及其工程应用水力学及其工程应用一一.水力学的任务：水力学的任务： 气体的特点：气体的特点：.气体没有一定的容积。气体没有一定的容积。.在容器中的气体不存在自由表在容器中的气体不存在自由表面。面。 .气体极易压缩。气体极易压缩。 .没有一定的形状，容易流动。没有一定的形状，容易流动。流体包括液体和气体。流体包括液体和气体。 液体的特点：液体的特点：.液体有一定的容积。液体有一定的容积。 .在容器中的液体可形成一定的在容器

2、中的液体可形成一定的自由表面。自由表面。 .液体不容易压缩。液体不容易压缩。.没有一定的形状，容易流动。没有一定的形状，容易流动。1.1.流体：流体：定义：定义：凡不能像固体一样保持其一定形状，并容易流动的凡不能像固体一样保持其一定形状，并容易流动的物质称为流体。物质称为流体。4液体与气体的共同特点：没有一定的形状，容易流动。液体与气体的共同特点：没有一定的形状，容易流动。u具体任务：具体任务：.过流能力问题（求流量）。过流能力问题（求流量）。u .作用力问题。作用力问题。u .能量损失问题（求水头损失）。能量损失问题（求水头损失）。u .流动形态问题。流动形态问题。2.2.水力学的任务：水力

3、学的任务：研究以水为代表的液体平衡和机械运动的规律及其工程应用。研究以水为代表的液体平衡和机械运动的规律及其工程应用。53.3.水力学的发展简史水力学的发展简史： 古典流体力学古典流体力学 + + 实验水力学实验水力学 （现代）流体力学（现代）流体力学（现代）流体力学：（现代）流体力学：u理论流体力学理论流体力学u水力学（工程流体力学）水力学（工程流体力学）u空气动力学空气动力学u计算流体力学计算流体力学u环境流体力学环境流体力学u多相流流体力学多相流流体力学 等等等等6 航空航空 空气动力学空气动力学中国，歼十战机中国，歼十战机7 航空航空 空气动力学空气动力学中国，中国，J20J20战机战

4、机8 航空航空 空气动力学空气动力学中国，中国，J20J20战机战机9 航天飞机发射瞬间航天飞机发射瞬间 10u超高速气体动力学超高速气体动力学u物理化学流体力学物理化学流体力学u稀薄气体力学稀薄气体力学 从航天飞机上看到的太空站从航天飞机上看到的太空站 11中国嫦娥三号与玉兔号月球车在月球表面互拍照片中国嫦娥三号与玉兔号月球车在月球表面互拍照片12造船造船 水动力学水动力学 船舶流体力学船舶流体力学排水量达排水量达5050万吨以上的超大型油轮万吨以上的超大型油轮13航速达航速达3030节，深潜达数百米的核动力潜艇节，深潜达数百米的核动力潜艇14三峡水利枢纽三峡水利枢纽水利、土木工程水利、土木

5、工程 、道桥、道桥 水力学水力学15环境流体力学环境流体力学 16三三.工程应用：工程应用：水利工程；土木工程；环境工程等。水利工程；土木工程；环境工程等。u1.1.易流动性：易流动性：液体在任何微小的剪力或拉力的作液体在任何微小的剪力或拉力的作用下，它们都会发生连续变形（即流动）。用下，它们都会发生连续变形（即流动）。u2.2.抗压能力强抗压能力强：液体可承受较大的压强而体积变液体可承受较大的压强而体积变化很小。化很小。二二. 液体的基本特性：液体的基本特性：17流体质点流体质点：定义：定义：微观上充分大，宏观上充分小的流体分子团。微观上充分大，宏观上充分小的流体分子团。1-2 1-2 连续

6、介质模型连续介质模型 比如比如1cm1cm3 3的标态水（的标态水（1atm1atm，2020C C水温）中约含水温）中约含有有3.343.3410102222个水分子。个水分子。1010-12-12cmcm3 3的标态水中约含有的标态水中约含有3.343.3410101010个水分子。个水分子。18连续介质模型的适用范围：常温常压下的气体和液体。连续介质模型的适用范围：常温常压下的气体和液体。 连续介质模型：连续介质模型：认为流体是由无任何空隙的认为流体是由无任何空隙的流体质点所组成的连续体流体质点所组成的连续体。流体的密度、温度等物。流体的密度、温度等物理量连续分布。理量连续分布。 连续介

7、质模型是欧拉在连续介质模型是欧拉在17531753年提出的假说。年提出的假说。有了这个模型，我们就可以采用连续函数这一强有了这个模型，我们就可以采用连续函数这一强有力的数学工具来分析流体的流动规律。有力的数学工具来分析流体的流动规律。19u表征惯性的物理量是质量。质量愈大，则惯性愈大。表征惯性的物理量是质量。质量愈大，则惯性愈大。VMVVlim流体的密度( )：1-3 1-3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质一一.惯性：惯性：V可理解为：微观上足够大，宏观上足够小的流体体积。可理解为：微观上足够大，宏观上足够小的流体体积。流体具有维持它原有运动状态的特性，这种特性称为流体具有维持它原有运动

8、状态的特性，这种特性称为惯性惯性。20V可理解为：微观上足够大，宏观上足够小的流体体积可理解为：微观上足够大，宏观上足够小的流体体积 。 如果如果V太小太小,其内包含的分其内包含的分子数不够多子数不够多, 则则时而大时而小。时而大时而小。 V的极限值应为的极限值应为V。密度（密度（ ）：）：均质流体的密度是流体单位体积的质量均质流体的密度是流体单位体积的质量。均质均质流体的密度：流体的密度：VM21工程中工程中，流体因受到地心的吸引而具有重量。流体因受到地心的吸引而具有重量。u工程中常用到重度（容重）的概念。工程中常用到重度（容重）的概念。u均质流体的重度是流体单位体积的重量均质流体的重度是流

9、体单位体积的重量。均质均质流体的重度：流体的重度：gVGu一般地，水：一般地，水：=1000Kg/m=1000Kg/m3 3。 取：取：g = 9.806mg = 9.806m/ /s s2 2，则则 = 9.806 = 9.806 KN/mKN/m3 3 。22二二.分子之间的作用力：分子之间的作用力：u水分子间距与水分子间距与 d1 同量级，表现为一定的吸引力。同量级，表现为一定的吸引力。u空气分子间距比空气分子间距比d1高高12个数量级，吸引力很小。个数量级，吸引力很小。23三三.粘性：粘性：定义：定义：当流体的质点与质点间，或流层与流层间发生相对运动当流体的质点与质点间，或流层与流层间

10、发生相对运动时，流体内部会产生剪切力以抵抗这种相对运动。流体的这时，流体内部会产生剪切力以抵抗这种相对运动。流体的这种属性称为粘（滞）性种属性称为粘（滞）性。u粘性实验粘性实验牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：u两平板间充满粘性液体，下板不两平板间充满粘性液体，下板不动，上板以常速动，上板以常速U运动。运动。u实验表明，与上板接触的液体以实验表明，与上板接触的液体以速度速度U随上板运动，近贴下板的随上板运动，近贴下板的液体的速度为零。两板间的液体液体的速度为零。两板间的液体的速度呈线性分布。的速度呈线性分布。 施加的力施加的力F与上板的速度与上板的速度U成正比，与上板面积成正比，与上板面积A成正

11、比，与距离成正比，与距离h成反比。成反比。24力：力：切应力：切应力：如速度不是线性分布，则：如速度不是线性分布，则：hUAFhUAFdyduu称为动力粘度称为动力粘度，单位单位NS/m2（或或PaS）。）。u 此外此外, =/称为运动粘度，单位称为运动粘度，单位m2 /s。 施加的力施加的力F与上板的速度与上板的速度U成正比，与上板面积成正比，与上板面积A成正比，与距离成正比，与距离h成反比。成反比。25dydudtddd tan,很小由于角度dtddydu：是剪切变形（角）速率dydu. 126：流体的动力粘度. 2量。是度量流体粘性大小的值不同，不同的流体，其值增大。升高，对于气体，随着

12、温度的值减小；升高，对于液体，随着温度的：值随流体的温度而变化牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：流体运动时，相邻流层间流体运动时，相邻流层间所产生切应力与剪切变形速率成正比所产生切应力与剪切变形速率成正比。 凡符合牛顿内摩擦定律的流体称为凡符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体牛顿流体，如水、空气，如水、空气等；凡不符合牛顿内摩擦定律的流体称为等；凡不符合牛顿内摩擦定律的流体称为非牛顿流体非牛顿流体，如聚合，如聚合物液体、泥浆等。物液体、泥浆等。 dtddydu27没有粘性的流体称为理想流体没有粘性的流体称为理想流体。 理想流体模型：工程中为了简化分析，不考虑实际理想流体模型：工程中为了简化分析，

13、不考虑实际流体的粘性所得到的流动模型称为理想流体模型。流体的粘性所得到的流动模型称为理想流体模型。四四. .压缩性压缩性：密度的变化：温度密度的变化：温度T，压强压强p的变化都会引起密度的变化。的变化都会引起密度的变化。dTTdppddTdpdTTdppdT1128pVVp11:体积压缩系数VVppK/1:压缩模量TT1:热膨胀系数 根据流体密度的变化能否被忽略，可将流体根据流体密度的变化能否被忽略，可将流体分为不可压缩流体和可压缩流体两类。分为不可压缩流体和可压缩流体两类。 工程实际中，常认为液体是不可压缩的（实际上，工程实际中，常认为液体是不可压缩的（实际上，像水这样的液体只是不容易压缩而

14、已）。这样的模型像水这样的液体只是不容易压缩而已）。这样的模型称之为不可压缩流体模型。称之为不可压缩流体模型。29五五. .表面张力：表面张力：1.1.表面张力的定义表面张力的定义：自由（表）面：液体与气体的交界面。自由（表）面：液体与气体的交界面。 定义：在液体的自由表面上，由于液体分子的相定义：在液体的自由表面上，由于液体分子的相互吸引，使得自由表面上可承受微小的拉力，称为互吸引，使得自由表面上可承受微小的拉力，称为表表面张力面张力。 表面张力（表面张力（ ）与自由表面相切）与自由表面相切。 其单位：其单位：N/m。30u三维曲面：三维曲面：21011RRppRpp0222sin2)(0R

15、ppu二维曲面：二维曲面：312.2.接触角（湿润角）：接触角（湿润角）： 在液体与固体壁面的交界处作液面的切面，此在液体与固体壁面的交界处作液面的切面，此切切面与壁面在液体内部一侧的夹角称为接触角面与壁面在液体内部一侧的夹角称为接触角。 当当为锐角时，液体润湿固体壁面；为锐角时，液体润湿固体壁面；当当为钝角为钝角时，液体不润湿固体壁面。时，液体不润湿固体壁面。 水与玻璃水与玻璃=8=8；水；水银与玻璃银与玻璃=138=138。32作业：P19，第6题、第9题。333.3.毛细（管）现象：毛细（管）现象：gdhdhdgcos4cos42 为了避免毛细管现象所引起的测量误差，测压为了避免毛细管现

16、象所引起的测量误差，测压玻璃管的直经玻璃管的直经d d一般不小于一般不小于1 1cmcm。表面张力引起毛细（管）现象。表面张力引起毛细（管）现象。34uAGAuGsinsin例例1 1：一一木板，重量为木板，重量为G G，底面积为底面积为A A。此此木板沿一个木板沿一个倾角为倾角为 ，表面涂有润滑油的斜壁下滑，如图所示。表面涂有润滑油的斜壁下滑，如图所示。已测得润滑油的厚度为已测得润滑油的厚度为 ，木板匀速下滑的速度为木板匀速下滑的速度为u u。试求试求润滑油的动力粘度润滑油的动力粘度 。 ( (书上书上P7P7的例的例1-1)1-1)解：解：35u已知已知：r1=0.1m,r2=0.103m

17、，L=1m。例例2 2： 两圆筒，外筒固定，内筒旋转。两圆筒，外筒固定，内筒旋转。 ( (书上书上P7P7的例的例1-2)1-2)。srad20,14.0sPau求：施加在外筒的力矩求：施加在外筒的力矩M。Pa2 .293121rrrmN42.18211rLrM解：解：36例例3 3：求旋转圆盘的力矩。：求旋转圆盘的力矩。如图，已知如图，已知 ，r r1 1， ， 。求阻求阻力矩力矩M M。解解：rrdrrd rMr241200137解解：r drrdAdF22drrdFrdM32rdrrdMMrr224103011rdrdA2381-4 1-4 作用在流体上的力作用在流体上的力一一. .质量质量力：力：u定义：某种力场对流体的作用力。定义：某种力场对流体的作用力。作用于流体的每个质作用于流体的每个质点，其大小与流体的质量成正比的力称为质量力点，其大小与流体的质量成正比的力称为质量力。u重力、非惯性坐标系中的惯性力都是质量力。重力、非惯性坐标系中的惯性力都是质量力。u单位质量力是单位质量的流体所受到的力场作用力单位质量力是单位质量的流体所受到的力场作用力，记记作作 f。在重力场中，单位质量力在重力场中，单位质量力 f f 就等于重力加速度就等于重力加速度g g。kfjfiffzyx39二二. .表面表面力：力：u定义：周围物体作用在流体表定义