水力學(xué)第一章 緒論

1、n水力學(xué)課件水力學(xué)課件第一章第一章 緒論緒論（一）課程地位（一）課程地位 水力學(xué)是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基水力學(xué)是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，它是連接前期基礎(chǔ)課程和后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程礎(chǔ)課程，它是連接前期基礎(chǔ)課程和后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的的橋梁橋梁。課程的學(xué)習(xí)將有利于力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的鞏。課程的學(xué)習(xí)將有利于力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的鞏固與提高，培養(yǎng)分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為固與提高，培養(yǎng)分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。一一. .課程的性質(zhì)和任務(wù)課程的性質(zhì)和任務(wù) 力學(xué)力學(xué) 基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)課程水力學(xué)水力學(xué)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程水利學(xué)科水利學(xué)科有關(guān)專(zhuān)業(yè)課程有關(guān)專(zhuān)業(yè)課程（二）水力學(xué)研究的對(duì)象（

2、二）水力學(xué)研究的對(duì)象1.1.水力學(xué)的定義：水力學(xué)的定義： 水力學(xué)是研究液體平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律水力學(xué)是研究液體平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)。它是力學(xué)的一個(gè)分支。及其應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)。它是力學(xué)的一個(gè)分支。2.2. 水力學(xué)的任務(wù)：水力學(xué)的任務(wù)： 研究以水為代表的，液體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究以水為代表的，液體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程中的應(yīng)用。及其在工程中的應(yīng)用。 （三）水力學(xué)的在工程中的應(yīng)用（三）水力學(xué)的在工程中的應(yīng)用 1.1.確定水工建筑物所受的水力荷載確定水工建筑物所受的水力荷載Fv vF2.2.確定水工建筑物過(guò)水能力確定水工建筑物過(guò)水能力3.3.分析水流流動(dòng)形態(tài)分析水流流動(dòng)形態(tài)4.4.確定水流能量

3、消耗和利用確定水流能量消耗和利用農(nóng)村小型自來(lái)水廠農(nóng)村小型自來(lái)水廠三峽大壩泄洪三峽大壩泄洪5.5.特殊的水力學(xué)問(wèn)題特殊的水力學(xué)問(wèn)題某污水處理廠某污水處理廠二、水力學(xué)由以下內(nèi)容構(gòu)成二、水力學(xué)由以下內(nèi)容構(gòu)成兩大主要組成部分，水靜力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)。兩大主要組成部分，水靜力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)。水靜力學(xué)：關(guān)于液體平衡的規(guī)律，它研究液水靜力學(xué)：關(guān)于液體平衡的規(guī)律，它研究液體處于靜止（或相對(duì)平衡）狀態(tài)時(shí)，作用于體處于靜止（或相對(duì)平衡）狀態(tài)時(shí)，作用于液體上的各種力之間的關(guān)系。液體上的各種力之間的關(guān)系。水動(dòng)力學(xué)：關(guān)于液體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，它研究液體水動(dòng)力學(xué)：關(guān)于液體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，它研究液體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，作用于液體上的力與運(yùn)動(dòng)要素

4、在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，作用于液體上的力與運(yùn)動(dòng)要素之間的關(guān)系，以及液體的運(yùn)動(dòng)特性與能量轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系，以及液體的運(yùn)動(dòng)特性與能量轉(zhuǎn)換等等。等等。三三. .液體的基本特征與連續(xù)介質(zhì)的概念液體的基本特征與連續(xù)介質(zhì)的概念1.1.液體的基本特征：液體的基本特征： 液體與固體的主要區(qū)別在于液體與固體的主要區(qū)別在于易流動(dòng)性易流動(dòng)性，而，而液體與氣體的主要區(qū)別在于是否具有液體與氣體的主要區(qū)別在于是否具有可壓縮性可壓縮性。 因此液體因此液體易流動(dòng)性易流動(dòng)性、不易壓縮不易壓縮的特性使液體的特性使液體有許多與固體和氣體不同的運(yùn)動(dòng)特征。有許多與固體和氣體不同的運(yùn)動(dòng)特征。連續(xù)介質(zhì)的概念連續(xù)介質(zhì)的概念： 即假設(shè)液體是一種連續(xù)充即假

5、設(shè)液體是一種連續(xù)充滿(mǎn)其所占據(jù)空間毫無(wú)空隙的連續(xù)體。滿(mǎn)其所占據(jù)空間毫無(wú)空隙的連續(xù)體。特點(diǎn)特點(diǎn)：液體中的一切物理量都可以視為：液體中的一切物理量都可以視為空間空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，因此可采用連續(xù)函的連續(xù)函數(shù)，因此可采用連續(xù)函數(shù)的分析方法。數(shù)的分析方法。 長(zhǎng)期的生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明：利用連續(xù)長(zhǎng)期的生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明：利用連續(xù)介質(zhì)假定所得出的有關(guān)液體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本介質(zhì)假定所得出的有關(guān)液體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本理論與客觀實(shí)際是十分符合的。理論與客觀實(shí)際是十分符合的。2.2.連續(xù)介質(zhì)的概念連續(xù)介質(zhì)的概念四四. .液體的主要物理性質(zhì)液體的主要物理性質(zhì)1.1.慣性，質(zhì)量與密度慣性，質(zhì)量與密度慣性力：當(dāng)液體

6、受外力作用使運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)慣性力：當(dāng)液體受外力作用使運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，由于液體的慣性引起對(duì)外界抵生改變時(shí)，由于液體的慣性引起對(duì)外界抵抗的反作用力?？沟姆醋饔昧Αma 單位：?jiǎn)挝唬篘 N密度：是指單位體積液體所含有的質(zhì)量。密度：是指單位體積液體所含有的質(zhì)量。 物質(zhì)三態(tài)物質(zhì)三態(tài)的共同性的共同性質(zhì)質(zhì)國(guó)際單位：國(guó)際單位：kg/mkg/m3 3Vm一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為44，水密度為，水密度為1000kg/m1000kg/m3 3 。2.萬(wàn)有引力特性，重力與容重萬(wàn)有引力特性，重力與容重萬(wàn)有引力萬(wàn)有引力：是指任何物體之間相互具有吸引：是指任何物體之間相互具有吸引力的性質(zhì)，其吸引力

7、稱(chēng)為萬(wàn)有引力。力的性質(zhì)，其吸引力稱(chēng)為萬(wàn)有引力。重力重力：地球?qū)ξ矬w的引力稱(chēng)為重力，或稱(chēng)為重：地球?qū)ξ矬w的引力稱(chēng)為重力，或稱(chēng)為重量。大小為：量。大小為：G GMgMg， g g：重力加速度。：重力加速度。 液體的容重：是指單位體積液體所具有液體的容重：是指單位體積液體所具有的重量。的重量。 國(guó)際單位：國(guó)際單位： N Nm m3 339.8GmgVVKN m 物質(zhì)三態(tài)物質(zhì)三態(tài)的共同性質(zhì)的共同性質(zhì)3.3.粘滯性粘滯性 固體與液固體與液體的主要區(qū)體的主要區(qū)別別牛頓內(nèi)摩擦定律：牛頓內(nèi)摩擦定律：duTAdydudy或或dydu流速梯度流速梯度為動(dòng)力粘滯系數(shù)為動(dòng)力粘滯系數(shù) ，國(guó)際單位：，國(guó)際單位：N.s/m

8、N.s/m2 2 為運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，國(guó)際單位：為運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，國(guó)際單位：m m2 2/s/s牛頓內(nèi)摩擦定律的適用條件：牛頓內(nèi)摩擦定律的適用條件：層流運(yùn)動(dòng)層流運(yùn)動(dòng)和和牛頓流體牛頓流體。 在水力學(xué)中液體分為在水力學(xué)中液體分為理想液體理想液體和和實(shí)際液體實(shí)際液體： 理想液體：理想液體：就是忽略粘性效應(yīng)的液體。就是忽略粘性效應(yīng)的液體。 實(shí)際液體：實(shí)際液體：粘性液體。粘性液體。 有沒(méi)有考慮粘滯性：是理想液體和實(shí)際液體的最主有沒(méi)有考慮粘滯性：是理想液體和實(shí)際液體的最主要差別。要差別。理想賓漢流體理想賓漢流體 牛頓流體牛頓流體 偽塑性流體偽塑性流體 膨脹性流體膨脹性流體 BCADdu/dyO1牛頓流體牛頓流體

9、：就是符合牛頓就是符合牛頓內(nèi)摩擦定律得流體。內(nèi)摩擦定律得流體。 例題：一極薄的平板，在厚度分別為例題：一極薄的平板，在厚度分別為4cm4cm的兩種的兩種油層中以油層中以 的速度運(yùn)動(dòng)。已知上層動(dòng)的速度運(yùn)動(dòng)。已知上層動(dòng)力粘滯系數(shù)為下層的動(dòng)力粘滯系數(shù)力粘滯系數(shù)為下層的動(dòng)力粘滯系數(shù)2 2倍，兩油層倍，兩油層在平板上產(chǎn)生的總切應(yīng)力為在平板上產(chǎn)生的總切應(yīng)力為 試求上、下油層的動(dòng)力粘滯系數(shù)。試求上、下油層的動(dòng)力粘滯系數(shù)。0 .8ums230mN4cm4cm平版ududy下上2230 1.5202011.0/0.5/202N s mN s m上下下上解：解： 2 0d uulsd yyd ud y下上4cm4

10、cm平版u4. 液體的液體的壓縮性壓縮性dVVdp 為體積壓縮系數(shù)，單為體積壓縮系數(shù)，單位為位為m m2 2/N/N壓縮性：壓縮性：液體受壓后體積要縮小，壓力撤除后也液體受壓后體積要縮小，壓力撤除后也能恢復(fù)原狀，這種性質(zhì)稱(chēng)為液體的壓縮性或彈性。能恢復(fù)原狀，這種性質(zhì)稱(chēng)為液體的壓縮性或彈性。 用體積壓縮率用體積壓縮率 或體積模量或體積模量K K來(lái)描述液體的壓縮來(lái)描述液體的壓縮性。性。 氣體與液氣體與液體的主要體的主要區(qū)別區(qū)別n體積壓縮率體積壓縮率: :1K K K值越大，表示液體愈不容易壓縮。對(duì)一般水值越大，表示液體愈不容易壓縮。對(duì)一般水利工程來(lái)說(shuō)，可認(rèn)為水不可壓縮的。但在有壓管道利工程來(lái)說(shuō)，可認(rèn)

11、為水不可壓縮的。但在有壓管道中水擊計(jì)算時(shí)，則必須考慮水的壓縮性。中水擊計(jì)算時(shí)，則必須考慮水的壓縮性。溫度在溫度在100C時(shí)，水的體積彈性系數(shù)時(shí)，水的體積彈性系數(shù) K=2.11x106kN/m2n體積模量體積模量K:K:5. 液體的液體的表面張力表面張力 表面張力：自由表面上液體分子由于受兩表面張力：自由表面上液體分子由于受兩側(cè)分子引力不平衡，使自由面上液體分子受有側(cè)分子引力不平衡，使自由面上液體分子受有極其微弱的拉力。極其微弱的拉力。 表面張力僅在自由表面存在，液體內(nèi)部并表面張力僅在自由表面存在，液體內(nèi)部并不存在不存在。表面張力示意圖表面張力示意圖毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象綜上所述，液體的綜上所述，

12、液體的慣性慣性、重力特性重力特性和和粘滯性粘滯性對(duì)液體運(yùn)動(dòng)有重要的影響，而對(duì)液體運(yùn)動(dòng)有重要的影響，而液體的液體的可壓縮性可壓縮性、表面張力表面張力等只有在等只有在特殊問(wèn)題中才需要考慮，請(qǐng)注意區(qū)分。特殊問(wèn)題中才需要考慮，請(qǐng)注意區(qū)分。水力學(xué)研究：水力學(xué)研究：1、把水看作不可壓縮、沒(méi)有表面張力，、把水看作不可壓縮、沒(méi)有表面張力，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)下忽略粘滯性的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)下忽略粘滯性的理想液體理想液體；2、或把水看作不可壓縮、沒(méi)有表面張力，、或把水看作不可壓縮、沒(méi)有表面張力，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)下，粘滯性不忽略的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)下，粘滯性不忽略的實(shí)際液實(shí)際液體體。五五. .作用在液體上的力作用在液體上的力 按物理性質(zhì)

13、：重力、慣性力、壓力、按物理性質(zhì)：重力、慣性力、壓力、拉力、摩擦力、表面張力。拉力、摩擦力、表面張力。 按特點(diǎn)分：按特點(diǎn)分：表面力表面力和和質(zhì)量力質(zhì)量力。1.表面力表面力 作用于液體的表面，其大小與受作用的作用于液體的表面，其大小與受作用的表表面面積面面積成比例的力，稱(chēng)為表面力。如液體內(nèi)部成比例的力，稱(chēng)為表面力。如液體內(nèi)部摩擦力、水壓力。摩擦力、水壓力。2.質(zhì)量力質(zhì)量力MFf 質(zhì)量力是作用在每個(gè)液體質(zhì)點(diǎn)上其大小質(zhì)量力是作用在每個(gè)液體質(zhì)點(diǎn)上其大小與液體的質(zhì)量成正比。如重力、慣性力。與液體的質(zhì)量成正比。如重力、慣性力。 單位質(zhì)量液體所受到的質(zhì)量力，稱(chēng)為單位質(zhì)量液體所受到的質(zhì)量力，稱(chēng)為單位質(zhì)量力，用

14、單位質(zhì)量力，用 表示。表示。fMFfxxMFfyy單位質(zhì)量力在三個(gè)坐標(biāo)軸的投影單位質(zhì)量力在三個(gè)坐標(biāo)軸的投影MFfzz六六. .水力學(xué)的研究方法水力學(xué)的研究方法1.1.理論分析理論分析2.2.科學(xué)試驗(yàn)科學(xué)試驗(yàn)經(jīng)典力學(xué)的基本原理：經(jīng)典力學(xué)的基本原理：牛頓的三大定律、質(zhì)量守恒、動(dòng)量定律、動(dòng)能定律牛頓的三大定律、質(zhì)量守恒、動(dòng)量定律、動(dòng)能定律水流運(yùn)動(dòng)的基本方程式：水流運(yùn)動(dòng)的基本方程式：連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程1.理論分析理論分析（1 1）原型觀測(cè)）原型觀測(cè)（2 2）模型試驗(yàn)）模型試驗(yàn)（3 3）系統(tǒng)試驗(yàn)）系統(tǒng)試驗(yàn)（4 4）數(shù)值模擬）數(shù)值模擬2.科學(xué)試驗(yàn)科學(xué)試驗(yàn)本章小結(jié)本章小結(jié)1 1水力學(xué)的定義及任務(wù)：研究以水為代水力學(xué)的定義及任務(wù)：研究以水為代表的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程中的應(yīng)用。表的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程中的應(yīng)用。2 2液體的基本特征：易流動(dòng)性、不易壓液體的基本特征：易流動(dòng)性、不易壓縮、均勻等向的連續(xù)介質(zhì)?？s、均勻等向的連續(xù)介質(zhì)。3 3液體的主要物理性質(zhì)：慣性、重力特液體的主要物理性質(zhì)：慣性、重力特性、均質(zhì)液體的質(zhì)量與密度、粘滯性、性、均質(zhì)液體的質(zhì)量與密度、粘滯性、壓縮性、表面張力特性等。壓縮性、表面張力特性等。 其中粘滯性是本章的重點(diǎn)，掌握牛頓內(nèi)摩擦定律的物其中粘滯性是本章的重點(diǎn)，掌握牛頓內(nèi)摩擦定律的物理意義，其適