内科大水力学课件01绪论

水力学第一章绪论力学基础课程水力学专业基础课程水利学科有关专业课程一.课程的性质和任务

水力学是一门重要的专业基础课程，是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。课程的学习有利于力学基础知识的巩固与提高，培养分析、解决实际问题的能力，为专业课程学习打下坚实基础。（一）课程地位（二）水力学研究的对象1.水力学的定义：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程实际问题的一门科学。水力学又是力学的一个分支。2.水力学的任务：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。3.研究对象：液体及不可压缩气体。（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。

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要素之间的关系，以及液体的运动特性与能量转换等等。水工建筑物及河槽所受水力荷载水工建筑物及河槽过水能力水流流动形态水流能量消耗和利用（四）给水排水工程专业中的水力学问题（五）水力学的在工程中的应用水力学

1.确定水工建筑物所受的水力荷载vvFF2.确定水工建筑物过水能力3.分析水流流动形态4.确定水流能量消耗和利用三峡大坝远景三峡大坝泄洪每秒可泄11万立方米，每天可泄约100亿立方米，两天半即可泄空。5.单价超10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台6.排水量达50万吨以上的超大型运输船7.航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇；1节＝1852m/h8.时速达200公里的新型快艇9.毛细血管流动10.利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。神七！航天员在水中模拟失重训练二.液体的基本特征与连续介质的概念（一）液体的基本特性：

1.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压缩性。简单的讲就是两个力量相同方向相反的力同时作用在一个物体上,像剪刀一样的力。什么叫剪切力？2.静止流体不能承受剪切力3.流体不能承受集中力，只能承受分布力。4.流体能承受压力，抵抗压缩变形。

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。

特点：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，因此可采用连续函数的分析方法。

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理论与客观实际是十分符合的。其物理特性和运动要素在空间是连续分布的。（二）连续介质的概念

因此液体的基本特性是：易流动、不易压缩、均匀等向的连续介质。3.3×1022个分子1cm3液体（标况下）相邻分子间距为3.1×10－8cm

宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。微观（分子自由程的尺度）上看，流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为的统计平均值是稳定的。表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。（三）流体质点的概念

流体质点是指几何尺寸同流体空间相比是极小量，但是含有大量分子的微元体。三.液体的主要物理性质（一）惯性、质量与密度

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抗的反作用力。单位：N

密度：是指单位体积液体所含有的质量。国际单位：kg/m3

标准大气压下，4℃时水密度为1000kg/m3

。

重力：地球对物体的引力称为重力或重量。大小为：G＝Mg，g：重力加速度。

液体的容重：是指单位体积液体所具有的重量。国际单位：N／m3（二）重力与容重（三）粘滞性

粘滞性及粘滞力：当液体处在运动状态时，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其相对运动，这种性质称为液体的粘滞性，此内摩擦力又称为粘滞力。τ通过科学实验证明：∝引入动力粘性系数：切应力τ为：什么叫切应力？

材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力；按照应力和应变的方向关系，可以将应力分为正应力σ和切应力τ，正应力的方向与作用面垂直，而切应力的方向与作用面平行。

牛顿内摩擦定律τ

牛顿内摩擦定律：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力（或粘滞力），与流速梯度（剪切变形速率、角变形速率）成正比。粘性越大的流体，越不容易流动，流动过程中消耗的机械能越大。粘性是流体流动产生机械能损失的根源。——

为运动粘滞系数，国际单位：m2/s牛顿内摩擦定律的适用条件：层流运动和牛顿流体。理想宾汉流体牛顿流体伪塑性流体

膨胀性流体

BμCADdu/dyτO1A线为牛顿流体，只要温度不变，牛顿流体的μ值不变，如水、空气、汽油等；B线为一种非牛顿流体，叫理想宾汉流体，如泥浆、血浆等；C也是一种非牛顿流体，叫做伪（假）塑性流体，如尼龙、橡胶的溶液、颜料、油漆等；D线叫做膨胀性流体，如生面团、浓淀粉糊等。例1.一极薄的平板，在厚度分别为4cm的两种油层中以的速度运动。已知上层动力粘滞系数为下层动力粘滞系数的2倍，两油层在平版上产生的总切应力为。求上下油层动力粘滞系数。4cm4cm平板u（四）液体的压缩性

压缩性：液体受压后体积要缩小，压力撤除后也能恢复原状，这种性质称为液体的压缩性。用体积压缩率k或体积模量K来描述液体的压缩性。

为体积压缩系数，单位为.

——称为体积模量。单位Pa。

值越大，表示液体愈不容易压缩。对一般水利工程来说，可认为水不可压缩的。但在有压管道中水击计算时，则必须考虑水的压缩性。气体的压缩性比液体的要大且与压缩过程有关，需要具体问题具体分析。

σ表面张力是指自由液面单位长度上所受拉力的数值。表面张力是由于自由表面上液体分子所受两侧分子的引力不平衡，使自由面上液体分子受有极其微弱的拉力。表面张力仅在液体的自由表面存在(气体不存在表面张力)，液体内部并不存在。一般情况可忽略。但在测压管测定液体压力的试验中表面张力对实验结果有明显的影响，在实验过程中应注意消除。（五）表面张力将其视作一个没有厚度的薄膜毛细管现象水的毛细升高：水银的毛细降低：（六）汽化压强

汽化压强是指液体汽化和凝结达到平衡时液面的压强。汽化压强随液体的种类和温度的不同而改变。水利工程中的空化现象与液体的汽化压强有关，需要注意。

综上所述，液体的惯性、重力特性和粘滞性对液体运动有重要的影响，而液体的可压缩性、表面张力和汽化压强只有在特殊问题中才需要考虑，请注意区分。（七）理想液体的概念

在水力学中液体分为理想液体和实际液体。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、没有表面张力的连续介质。有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主要差别。四.作用在液体上的力

按物理性质：重力、惯性力、弹性力、摩擦力、表面张力。按作用特点分：表面力和质量力。（一）表面力

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。如摩擦力、水压力、边界对液体的反作用力。与作用面正交的力称为压应力（压强），与作用面平行的力称为切应力.

国际单位都是Pa，1Pa＝1N/m2.2.质量力

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。单位质量液体所受到的质量力，称为单位质量力，用表示。

单位质量力在三个坐标轴的投影。经典力学的基本原理：牛顿的三大定律、动量定理、动能定理。水流运动的基本方程式：连续性方程、能量方程、动量方程。（一）理论分析五.水力学的研究方法1.原型观测2.模型试验3.系统试验4.数值模拟（二）科学试验1.原型观测在野外或水工建筑物现场，对水流运动进行观测，收集第一手资料，为检验理论分析成果或总结某些基本规律提供依据。2.模型试验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。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，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.3.系统试验在实验室内，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。数理知识数据处理方法量纲分析方法4.数值模拟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。先进性：采用计算机、流体计算软件等高新技术。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析。本章小结1.水力学的定义。

2．水力学的任务：研究以水为代表的机械运动规律及其在工程中的应用。

3．液体的基本特性：易流动性、不易压缩、均匀等向的连续介质