水力学的研究对象与任务

绪论一、水力学的争论对象水力学是争论液体机械运动规律及其工程应用的一门科学油、酒精、水银等。由于工程实际中最为常见的液体是水，便以水作为争论液体的代表，故运动过程中其密度的变化很小〔当气体运动速度小于68m/s1%；当气体运动速度小于150m/s10性缩性。二、课程性质及构造体系据根底科学中的普遍规律〔如质量守恒、能量守恒、动量守恒等〕，结合水流特点，建立自分析与数值计算的过程中，必定离不开《高等数学》这个有力的工具。此外，由于水力学在〔水电站、水泵站、地下水利用等〕和从事专业争论的必备根底。而工程实际中根本和典型的水力学问题的理论分析和计算方法也就成为了本课程的重要组成局部。三.水力学的应用水资源，农田水利，机电排灌，河道整治，给排水，环境工程等领域。在水利工程的勘测设计，施工和运行治理等各个环节都可能遇到大量的水力学问题。归纳起来：水利工程中常常遇到的水力学问题主要有以下几方面： 建筑物〔及河槽〕所承受的水力荷载。包括：静水压力、动水压力、渗透压力等，这是水工建筑物的稳定分析和构造计算必需的依据之一。 建筑物〔及河槽〕的过水力量。输水及泄水建筑物、河渠、管道等的断面形式及尺寸确实定，是水力学的一项根本任务。 为合理布置建筑物，保证其正常运用供给理论依据。 水流的能量消耗。分析水流能量转换中的能量损失规律，争论充分利用水流有效能量的方式方法和高效率消退多余有害动能的消能防冲措施。四、水力学的争论方法水力学的进展历史说明白水力学的正确争论方法是：数理分析与试验争论相结合。水力学理论的进展在相当程度上取决于试验观测水平，而水力学中试验观测的方法主要有以下三个方面：〔1〕〔2〕系统试验：在试验室内对人工水流现象进展系统的争论。〔3〕模型试验：模拟实际工程的条件，预演和进展。其次节液体的根本特性和主要物理力学性质一、液体的根本特性自然界物质分为气体,固体和液体.固体的主要特性是有固定的外形,在外力作用下不易变形.液体和气体统称为流体.其共同特性是易于流淌。布上的不连续性和热运动在时间上的随机性间的的间隙又是如此微小〔例如，1cm3的水中大约有3.34×1022个水分子〕,它与工程中所争论的运动液体的集合尺度相比,确实小到可以无视不计的程度。既然如此，把液体看作是不连续的分子构造也就没有必要了1753是连续分布的。连续介质假定的引入对流体力学的进展起了巨大的推动作用。具体来讲，假设用连续函数这一数学工具来解决液体的流淌问题有质量但无大小概念的。是均质的，各局部各个方向上的物理性质均一样。因此，水力学中争论的液体的根本特征：易于流淌 、不易压缩、均匀等向、连续介质。二、液体的主要物理力学性质〔一〕惯性M惯性力，惯性力的大小：FMa。单位体积内的质量称为密度ρ，其单位为kg/m3。对均质M

limM液体，

V，对非均质液体，

VV。4℃的蒸馏水的密度作为计算值，即1000kg/m3 。〔二〕万有引力特性.度量G。单位体积内的重量称为容重γ，也称为重度或重率，其单位为N/m3。对均质液体，G limGV，对非均质液体， VV。不同种类的液体其容重值各不一样。同一种类的液体，其容重随温度和压强的变化而变化，4℃的蒸馏水的容重作为计算值，即9800N/m3。983.3kg例1：某液体的V6m3 m3,求该液体的质量和容重.m解：由于m

V mV983.365899.8(kg)g983.39.89636.3(N )m3〔三〕粘滞性在运动状态下，液体就具有抵抗剪切变形的力量，这就是所谓的粘滞性。粘滞性产生的物理缘由是分子引力。粘滞性的存在是水流运动过程中能量损失的根源。液层之间消灭了抵抗相对运动的内摩擦力1686年提出的,并经后人验证，习惯上称为牛顿内摩擦定律。du力〔或称粘滞力〕与流速梯度成正比，同时与液体的性质有关。其数学表达式为： dy，du∕厘米2,并常称12=11泊=0.1m.dy为流速梯度，实际上代表是d液体微团的剪切变形速度dt1〕抱负宾汉流体：当切应力到达肯定数值τ0

时，才开头发生剪切变形，但变形率仍为常数，常见的如泥浆、血浆、高含沙水流〔2〕伪塑性流体：粘滞系数随剪切变形速度的增加而减小，常见的有尼龙、橡胶溶液、颜料、油漆等〔3〕膨胀性流体：粘滞系数随剪切变形速度的增加而增加，常见的有生面团、浓淀粉糊等。μμμ的数值随比压强的影响大。水力学中,液体的粘滞性还可以用运动粘滞系数来表示。运动粘滞系数

，其单位为m2/s1c2/s称为11斯托克斯0.00012/s值的大小仍随液体种ν微。 0.01775 不同水温时的运动粘滞系数ν可按下式计算： 10.0337t0.000221t2式中，t按摄氏温度〔℃〕代，ν为cm2/s。对于同一种类的流体，用动力粘滞系数μ与用运动粘滞系数ν判定系数μ来判定.〔四〕液体的压缩性dVV液体受压体积缩小，压力撤除之后又能恢复原状的这种性质称为压缩性或弹性。液体压缩性的大小以体积压缩系数βKdVV体积压缩系数是液体体积的相对缩小值与压强增值之比，即 dp，由于dp与dV始终异号，为保证β为正，前面加负号。β值越大，液体越简洁压缩。β的单位为m2/N。dmdVVd0dVd由于液体压缩时，质量并不转变，故1d

V 。因而体积压缩系数β又可写为

dp。K

1。K值越大，液体越不简洁被压缩。K值的单位是N/m2。液体种类不同，βK值不同。对同一种液体，βK值也会随温度和压强而有所变化，但变化较小，一般可视为常数。〔五)外表张力特性自由外表上的液体分子由于受到两侧分子引力不平衡，而承受的一个极其微小的拉σ来表示，单位为N/m，即自由外表单位长度上所承受的拉力值。外表张力系数σ的大小随液体种类、温度和外表接触状况的变化而变化。第三节抱负液体抱负液体 确定不行压缩，没有粘滞性和外表张力的连续介质。抱负液体的概念的中心要点是没有粘滞性，固然运动过程中也不会有能量损失。第四节作用与液体上的力为便于分析问题，现按力的表现形式〔或作用方式〕将其分为质量力和外表力两大类。质量力又称为体积力。质量力可以用作用于液体质点上的总作用力F来表示，也可以用单位质量力f来表示。m/s2质量力f沿三个坐标方向上的重量分别表示为X、Y、Z。外表力外表力是指作用于液体外表并与受作用的外表面积成比例的力。例如，〔即应力〕来量度，垂直于作用面的叫压N/m2。第三节 作用在液体上的力无论在平衡〔静止〕或运动状态均受各种力的作用，按其物理性质有惯性力，重力，摩擦力，弹性力和外表张力等。在水力学中按其作用形式和特性可分为：一．外表张力 作用在液体外表上的力与外表积成正比又叫外表力.1>液体接触面上产生的水压力、压力、压强垂直作用面.2>液层之间的内摩擦力、粘滞力、平行作用面二.质量力 由液体质量与体积成正比,所以又叫体积力.作用在单位质量上的质量力为单位质量力

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坐标轴上投影.F F x Y F F M M M 在轴上与铅垂方向全都且与规定的方向一样为正,那么作用于单位质量液体上的重力在各坐标的分力为零 ,x0 y0zmg gm .第四节 水力学的争论方法理论分析法以古典力学为根底,按其机械运动的普遍原理,通过数学推导,建立液体平衡和运动的根本方程,(能量,动量,连续).但由于实际水流运动的多样性和简单性,对简单的水流运动只靠理论上争论工作是很难得出答案的,需借助于试验的方法来解决.二,试验争论1、原理观测:对实际水流直接进展现场观测,收集第一手的资料,来检验理论分析成果,总结探究水流运动的某些根本规律供依据.2、模型试验由水流相像的原理,按肯定的比例,将实际工程的缩小为模型,在模型上预演原理上相应的水流运动,然后再复原为原型的数值.3、数值计算法随着计算机技术的进展,数值计算成为水力学争论中的根本方法通过建立数学模型,由有限差分,有限无阻及边界限元等计算方法,用计算机求出数字近似解.纲分析法”1>量纲是表示物理量性质和类别.(长度LT等)单