水力学第一章

水力学授课人：牟晓蕾E-MAIL:xiaoleimou@126.com课程介绍流体力学

（fluidmechanics）

流体，即液体和气体水力学

（hydraulics）

液体，主要是水本课程的目标：清晰的物理概念流体中力与运动的规律学习目的建筑施工供水流量，供水管道，供水压力的确定，基坑排水量确定，地基基础水荷载计算，水景景观设计。水泵与水泵站，管网等课程的先修课程参考书：《流体力学及其工程应用》Finnemore&Franzini(第10版)

机械出版社/清华大学出版社

《流体力学》（上、下册）周光坰等高等教育出版社课堂讲授（48学时）+实验（8学时）考核：作业与课堂练习：30%

考试：70%绪论1.什么是流体力学？

力学：基础和技术学科。研究对象：液体和气体---流体。分子间距离分子间作用力保持一定形状保持一定体积承受压力承受拉力承受切力气体大小不能不能压缩变形不能流动变形液体中中不能能能承受一定的压力不能(液面质点有表面张力)流动变形固体小大能能能承受一定的压力能承受一定的拉力能承受一定的切力2、流体的特点①不能承受拉力，静止时不能承受剪切力。②具有易流动性，液体具有自由表面，有一定的体积，没有一定的形状，容易持续变形。（流动演示）

气体没有一定的体积，具有明显的可压缩性。3、流体力学主要内容：流体力学是研究流体平衡和机械运动的规律及其在工程实际中的应用的一门学科。流体力学海洋

土木工程航空航天交通运输

环境

气象

石油化工

机械冶金

生物与流体力学相关的工程领域和学科

轿车的外流场显示图车厢内的空气流场Newton声速，牛顿粘性定律Bernoulli血压，飞机，伯努利方程Euler欧拉方程D’Alembert

流体阻力Stokes无粘性→有粘性KelvinHelmholtz势流→涡动力学Reynolds层流/湍流流体力学的发展简介Prandtl

边界层理论哥廷根学派VonKarman卡门涡街对数率区钱学森陆士嘉TaylorBatchelor剑桥学派继续挑战的领域：湍流，非线性声学、水波和稳定性，数值计算；新领域：地球流体动力学，磁流体力学，生物流体动力学；重要的经典领域：低雷诺数流，悬浮流，薄膜流，液滴和气泡全新的领域：复杂流体，地质流体动力学，微纳米现象；新的数学工具和测量手段连续介质模型组成物体的分子是不连续的，彼此有空间。分子在不停的运动，分子间有相互作用力。液体在微观结构上说，是有空隙的不连续的物质。大量分子“集体”所显示的特性---宏观特性或宏观量。例如，我们研究海浪对防波堤上某点的作用力时，并不需要知道每个海水分子对该点的作用力。流体质点：

将实际流体无限制的分割成为无限小的基元个体，相当于微小的分子集团，——流体的“质点”。“宏观小”：流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零；“微观大”：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，以至于对这些分子行为的统计是稳定的，作为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。流体是由一个紧挨着一个的流体质点所组成，其中没有任何空隙。这样的连续体——“连续介质”。流体的主要物理性质惯性与质量密度均质流体：非均质流体各点处的密度不同，任一点处的密度用极限式表示为：万有引力、重量和容重非匀质流体任一点处的容重为：在地球引力场中，密度与容重有以下关系：流体的重力特性用容量表示。单位体积流体所受引力为流体的容重，用符号表示。匀质流体的容重为：设有两平行平板，假设下板固定，上板在外力作用下以匀速

0向右运动。与两板相接触的流体由于附着力的作用必粘附于两平板上，具有与平板相同的运动速度。因此与上平板相接触的一层流体将以速度0随上板一起向右运动，而紧贴下板的一层流体将和下板一样静止不动。介于两板之间的各层流体将以自上而下逐层递减的速度向右运动。流动较快的流体层带动较慢的流体层，同时流动较慢的流体层又阻滞流动较快的流体层，从而在流体层之间产生内摩擦力。粘滞性流体的粘滞性：

流体内部质点之间或流层之间产生内摩擦力抵抗其相对运动。粘滞力----内摩擦力对流动的阻抗作用----流体分子间的作用力。

流体运动时的粘滞阻力，使流体的变形即流动缓慢下来。粘滞性在流体静止时不显示作用。

(动力粘性系数)—Pa·s。

(运动粘性系数)—m2/s。

=/

粘性系数的大小表征着流体粘滞性的强弱。

温度是影响粘滞系数的主要因素。今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。

水的动力粘滞系数随温度变化的泊肃叶经验公式：

（1）液体的粘性系数随温度升高而降低：内聚力是产生粘度的主要因素，随温度升高分子间距增大，相互作用力减少，所以粘度减少。比如不同温度下的食用油。（2）气体的粘性系数则随温度升高而增大：气体分子间作用力影响极弱，但是温度升高分子活性增强，碰撞几率增大所以粘度反而增加。

理想流体

不考虑粘性作用的流体，即无粘性流体，称为理想流体。

【例】已知：长度L=1m，直径d=200mm水平放置的圆柱体，置于内径D=206mm的圆管中以u=1m/s的速度转动，间隙中油液的相对密度为d=0.92，运动黏度ν=5.6×10-4m2/s。求：所需拉力F为多少？

解：间隙中油的密度为

动力黏度为(kg/m3)(Pa·s)由牛顿内摩擦定律由于间隙很小，速度可认为是线性分布(N)压缩性m2/NN/m2体积压缩系数

体积弹性系数

(弹性模量)液体的压缩性很小，即每增加一个大气压，水的体积比原体积缩小约0.005%，因此，一般情况下，可以将水作为不可压缩液体来处理，但是对于水击问题，必须要考虑液体的压缩性与弹性。可压缩流体与不可压缩流体表面张力豉豆虫和水黾可在水面上行走针和硬币会浮在水面荷叶上的水滴成圆球状内聚力：是分子间的相互吸引力附着力：是指两种不同物质接触部分的相互吸引力。表面张力：液体表面由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。表面张力系数

：是指自由液面上单位长度所受到的表面张力。 单位为N/m。表面张力一般存在于液体与另一种介质相接触的自由表面上，液体内部不存在表面张力，它是一种局部受力现象毛细管现象作用于流体上的力一、表面力在静止流体中只有压强，没有切应力？

√二、质量力

作用在隔离体内每个流体质点上的力，其大小