武大水力學(xué)課件第1章緒論定稿

1水力學(xué)

1水力學(xué) 21緒論1.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1.2液體的主要物理性質(zhì)1.3作用在液體上的力1.4水力學(xué)的研究方法21緒論1.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況31.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1.2液體的主要物理性質(zhì)1.3作用在液體上的力1.4水力學(xué)的研究方法1緒論31.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1緒論4水力學(xué)定義研究

液體

平衡

機(jī)械運(yùn)動規(guī)律

應(yīng)用

一門力學(xué)科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)課對象內(nèi)容課程性質(zhì)所屬科學(xué)性質(zhì)液體處于靜止（相對靜止）狀態(tài)下，作用于液體上的各種作用力之間的關(guān)系液體在運(yùn)動狀態(tài)時，作用于液體上的力與運(yùn)動要素之間的關(guān)系，及運(yùn)動的特征和能量轉(zhuǎn)換4水力學(xué)定義研究對象內(nèi)容課程性質(zhì)所屬科學(xué)性質(zhì)液體處于靜止（相5

本課程內(nèi)容：

1緒論2水靜力學(xué)3水動力學(xué)基礎(chǔ)4流動型態(tài)和水頭損失5量綱分析和液流相似原理6恒定管流7明渠恒定流動8孔口出流、堰頂溢流和閘口出流9泄水建筑物下游的水流銜接與消能10有壓管道和明渠非恒定流11滲流理論基礎(chǔ)基本應(yīng)用5本課程內(nèi)容：1緒論理6水利工程中常見的水力學(xué)問題：

水力荷載—水體對水工建筑物的作用力

當(dāng)關(guān)閉閘門，水庫蓄水時，為了計算閘門的強(qiáng)度、剛度、校核大壩的穩(wěn)定性，必須考慮上下游水體對大壩和閘門的作用力。6水利工程中常見的水力學(xué)問題：水力荷載—水體對水工建筑物的7當(dāng)渲泄洪水時，必須確定校核大壩所能夠通過流量，以確保大壩安全泄洪；或已知泄量，確定大壩的溢流寬度。

泄水建筑物的過流能力水利工程中常見的水力學(xué)問題：7當(dāng)渲泄洪水時，必須確定校核大壩所能夠通過泄水建筑物的過流8由于大壩壅高水位，泄洪時，下泄的水流動能較大，會沖擊河床，危及大壩的安全。因此，必須采取工程措施，消耗過大的動能，減輕對河床的沖刷。

水能的利用與消耗水利工程中常見的水力學(xué)問題：8由于大壩壅高水位，泄洪時，下泄的水流動能較大，會沖擊河床，9大壩建成后，水流會通過土壤、巖石中的縫隙形成滲流，對壩基產(chǎn)生作用力，同時產(chǎn)生滲透變形，會危及大壩的安全。

泄水建筑物的滲流問題水利工程中常見的水力學(xué)問題：9大壩建成后，水流會通過土壤、巖石中的縫隙形成滲流，對壩基產(chǎn)10分析天然河道的洪水水面線，確定防洪堤防高程，確定人工渠道的過流能力，如南水北調(diào)工程。

水流的流動形態(tài)—河渠水面曲線計算水利工程中常見的水力學(xué)問題：10分析天然河道的洪水水面線，確定防洪堤防高程，確定人工渠道11

例如：黃河上高含沙問題

河流泥沙水利工程中常見的水力學(xué)問題：11例如：黃河上高含沙問題河流泥沙水利工程中常見12

水污染水利工程中常見的水力學(xué)問題：12水污染水利工程中常見的水力學(xué)問題：13水泵：葉片、轉(zhuǎn)輪體型水輪機(jī)：葉片、轉(zhuǎn)輪體型蝸殼：

水力機(jī)械水利工程中常見的水力學(xué)問題：13水泵：葉片、轉(zhuǎn)輪體型水力機(jī)械水利工程中常見的水力學(xué)問題14相傳四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水春秋戰(zhàn)國末期（公元前221前左右）都江堰，當(dāng)時對堰流理論有一定認(rèn)識秦始皇元年（公元前246）韓國水工鄭國主持興建鄭國渠，大約與此同時，羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)。秦始皇二十八年(公元前219)修建的靈渠，溝通長江水系和珠江水系的古運(yùn)河

水力學(xué)發(fā)展簡史

古代中國水力學(xué)發(fā)展14相傳四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水水力學(xué)15公元1363年（元末）銅壺滴漏計算時間，當(dāng)時已認(rèn)識到孔口出流和上游水位間存在一定的關(guān)系。明朝張季訓(xùn)提出“塞旁決以挽正流，以堤束水，以水攻沙”的治理黃河的措施。當(dāng)時對流速與過水?dāng)嗝娉煞幢鹊倪B續(xù)方程和一定量的水流能攜帶一定量的泥沙規(guī)律有一定認(rèn)識。清朝初年，何夢瑤等人提出用過水?dāng)嗝婷娣e乘以流速計算流量的方法。古代勞動人民懂得用水流的沖力帶動水車、水磨等水力機(jī)械。

古代中國水力學(xué)發(fā)展

水力學(xué)發(fā)展簡史

15公元1363年（元末）銅壺滴漏計算時間，當(dāng)時已認(rèn)識到孔口16

阿基米德（Archimedes，公元前287－212）

古希臘學(xué)者阿基米德在公元前250年發(fā)表論文《論浮體》，第一個闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理──阿基米德原理;列奧納德.達(dá).芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452－1519）設(shè)計建造一小型水渠，系統(tǒng)研究物體的沉浮、孔口出流、物體的運(yùn)動阻力及管道、明渠中水流等問題;

以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

16阿基米德（Archimedes，公元前287－212）17斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）將用于研究固體平衡的凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上;1653年，帕斯卡（B.Pascal）建立了平衡液體中壓強(qiáng)傳遞的規(guī)律－巴斯卡定律，使水靜力學(xué)理論得到進(jìn)一步發(fā)展;1643年，托里拆利（E.Torricelli）提出了液體孔口出流關(guān)系式;

以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

17斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）將用于研究181686年，牛頓（Newton）提出了關(guān)于液體內(nèi)摩擦的假定和粘滯性的概念，建立液體的內(nèi)摩擦定律;1738年，伯努里（D.Bernoulli）建立了理想液體運(yùn)動的能量方程－伯努里方程;1775年，歐拉（L.Euler）建立了理想液體的運(yùn)動方程－歐拉運(yùn)動微分方程;

以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

181686年，牛頓（Newton）提出了關(guān)于液體內(nèi)摩擦的假191843年，納維(L.M.H.Navier)和斯托克斯(G.G.Stokes)建立了實(shí)際液體的運(yùn)動方程－納維斯托克斯方程，奠定了古典流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)，使它成為力學(xué)的一個分支;1856年，達(dá)西(H.Darcy)建立了砂土滲流基本定律。首先提出:通過試樣的流量與試樣橫斷面積及試樣兩端測壓管水頭差成正比，與試樣的高度成反比。納維斯托克斯

以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)達(dá)西

水力學(xué)發(fā)展簡史

191843年，納維(L.M.H.Navier)和斯托克斯(201769年，謝才（A.Chezy）在一系列渠道水流實(shí)測資料基礎(chǔ)上,提出明渠均勻流流速與流量的經(jīng)驗(yàn)公式－謝才公式，以后又有確定謝才系數(shù)的曼寧公式、巴普洛甫斯基公式;1732年，畢托(H.Pitot)發(fā)明了量測水流流速的畢托管;1797年，文丘里（G.BVenturi）創(chuàng)造了量測管道流量的文丘里管。

求解各種實(shí)際水力學(xué)問題的經(jīng)驗(yàn)方法

水力學(xué)發(fā)展簡史

201769年，謝才（A.Chezy）在一系列渠道水流實(shí)測21隨著現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)和新技術(shù)的迅速發(fā)展，以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)，實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)水力學(xué)都不能滿足生產(chǎn)發(fā)展要求，逐漸形成了以理論和試驗(yàn)研究結(jié)合的現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)

現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

21隨著現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)和新技術(shù)的迅速發(fā)展，以純理論分析為基礎(chǔ)的221883年，雷諾(O.Reynolds)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了液流兩種流態(tài)－層流和紊流。1894年，又提出了紊流的基本方程－雷諾方程；1891年，儒科夫斯基首先建立了試驗(yàn)風(fēng)洞。1905年，又提出了圓柱繞流的升力理論；

現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

221883年，雷諾(O.Reynolds)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了液231904年，普朗特(L.Prantl)觀測分析了固體邊界對液流的影響，首先提出液流邊界層概念，后來對層流邊界層的研究，形成了邊界層理論，在流體力學(xué)、水力學(xué)研究歷史上，具有劃時代的意義。1891年，尼古拉茲（J.Nikuradse）德國學(xué)者分別對各種人工粗糙管道和明渠系統(tǒng)試驗(yàn)研究。1938年，蔡克士達(dá)進(jìn)一步揭示了管道和渠道紊流阻力和水頭損失規(guī)律。

現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

231904年，普朗特(L.Prantl)觀測分析了固體邊界24自上世紀(jì)50年代以來在科學(xué)技術(shù)的推動下，國內(nèi)外對水力學(xué)中各個問題展開了廣泛的研究

建國以后水力學(xué)的發(fā)展

紊流邊界層理論水工水力學(xué)管道和明渠非恒定流滲流高速水流（高速水力學(xué)）波浪運(yùn)動相似理論等領(lǐng)域取得了豐碩成果，豐富和發(fā)展了水力學(xué)的內(nèi)容

水力學(xué)發(fā)展簡史

24自上世紀(jì)50年代以來在科學(xué)技術(shù)的推動下，國內(nèi)外對水力學(xué)中25各種量測的試驗(yàn)儀器，得到進(jìn)一步發(fā)展，例如，激光，PIV測速等技術(shù)?，F(xiàn)在，水力學(xué)（工程流體力學(xué)）已成為一門理論、實(shí)驗(yàn)和計算相結(jié)合的學(xué)科。同時，又出現(xiàn)了一些新的水力學(xué)分支環(huán)境水力學(xué)隨機(jī)水力學(xué)計算水力學(xué)

建國以后水力學(xué)的發(fā)展

水力學(xué)發(fā)展簡史

25各種量測的試驗(yàn)儀器，得到進(jìn)一步發(fā)展，例如，激光，PIV261.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1.2液體的主要物理性質(zhì)1.3作用在液體上的力1.4水力學(xué)的研究方法1緒論261.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1緒論271.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

1.2.4液體的粘滯性

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性

1.2.6液體的表面張力1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度

1.2.3重力和重度271.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念28

1.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)1、液體的基本特征自然界物質(zhì)存在三種形式

固體

液體氣體

流體281.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)1、液體的基本特征29

固體

液體氣體

固定形狀和體積內(nèi)部存在拉力、壓力和剪力

不能保持固定形狀，壓縮性小，不能承受拉力，微弱剪力作用下，流體發(fā)生變形和流動；靜止?fàn)顟B(tài)下，液體不能承受剪切力

不能保持固定的體積和形狀可壓縮和膨脹主要區(qū)別：變形主要區(qū)別：壓縮性

1.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)1、液體的基本特征29固體液體氣體固定形狀和體積內(nèi)部存在拉力、壓力和剪30液體由分子組成，分子之間存在空隙，介質(zhì)不連續(xù)，分子間距相當(dāng)微小?，F(xiàn)代物理學(xué)指出，常溫下，每立方厘米水中，約含3×1022個分子，相鄰分子間距約3×10－8cm。可見，分子間距相當(dāng)微小，在很小體積中，包含難以計數(shù)的分子。水力學(xué)中，把液體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)液體是一種無間隙的充滿其所占據(jù)空間的連續(xù)介質(zhì)2、連續(xù)介質(zhì)的概念3×10－8cm

1.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)30液體由分子組成，分子之間存在空隙，介質(zhì)不連續(xù)，分子間距31

連續(xù)介質(zhì)的概念由瑞士學(xué)者歐拉（Euler）1753年首先建立，這一假定在流體力學(xué)發(fā)展上起到了巨大作用。

如果液體視為連續(xù)介質(zhì)，則液體中一切物理量（速度、壓強(qiáng)和密度等）可視為空間（液體所占據(jù)空間）坐標(biāo)和時間的連續(xù)函數(shù)。研究液體運(yùn)動時，可利用連續(xù)函數(shù)分析方法。

質(zhì)點(diǎn)—大量分子組成的液體微團(tuán)，是連續(xù)介質(zhì)的最小單位。

1.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)2、連續(xù)介質(zhì)的概念31連續(xù)介質(zhì)的概念由瑞士學(xué)者歐拉（Euler）1753年首32

單位——量度物理量數(shù)值大小的標(biāo)準(zhǔn)例如：長度單位（m），質(zhì)量（kg），力（N）

量綱——物理量的性質(zhì)

國際單位制中的基本量綱：長度[L]；時間[T]；質(zhì)量[M]3、量綱和單位

1.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)32單位——量度物理量數(shù)值大小的標(biāo)準(zhǔn)3、量綱和單位1.2331.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

1.2.4液體的粘滯性

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性

1.2.6液體的表面張力1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度

1.2.3重力和重度331.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念34均質(zhì)液體：=式中，M為液體的質(zhì)量；V為的體積對于非均質(zhì)液體：=式中，ΔM為任意微元的液體質(zhì)量；ΔV為任意微元的液體體積。量綱：[ρ]=[ML-3]，單位：kg·m-3

MVΔM,ΔV

慣性—液體保持原有運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)

質(zhì)量—慣性大小的量度[M](kg)

密度—單位體積所包含的質(zhì)量[ρ]

1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度34均質(zhì)液體：=式中，M為液體的質(zhì)量；V為的體積對于非均質(zhì)351.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

1.2.4液體的粘滯性

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性

1.2.6液體的表面張力1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度

1.2.3重量和重度351.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念36

重量—液體所受的地球引力（重力）[G]

G=Mg,式中g(shù)為加速度。

1.2.3重力和重度

重度——單位體積液體的重量（容重）[γ]均質(zhì)液體：

或：則:量綱：[γ]＝[F·L-3],單位：N·m-3或kN·m-3

不同液體重度不同，γ

＝f(p,t)，隨壓強(qiáng)和溫度的變化甚微，一般工程上視為常數(shù)。取一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溫度為4℃蒸餾水計算，則ρ=1000kg/m3

，γ=

ρg＝9800（N·m-3）＝9.8（kN·m-3）。36重量—液體所受的地球引力（重力）[G]1.2.3371.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

1.2.4液體的粘滯性

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性

1.2.6液體的表面張力1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度

1.2.3重力和重度371.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念38從運(yùn)動的液體中取出兩個相鄰的液層進(jìn)行分析uδABτABτBAuABABuBA平板縫隙中的潤滑油流動

兩個相鄰微元液層受力分析靜止?fàn)顟B(tài)下：液體不能承受切應(yīng)力運(yùn)動狀態(tài)下：液體具有抵抗剪切變形的能力粘滯性：油、瀝青、糖水、（水）

1.2.4液體的粘滯性38從運(yùn)動的液體中取出兩個相鄰的液層進(jìn)行分析uδABτABτ39當(dāng)液體質(zhì)點(diǎn)（液層）間存在相對運(yùn)動時液體質(zhì)點(diǎn)（液層）間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對運(yùn)動（液體連續(xù)變形）或液體在相對運(yùn)動狀態(tài)下抵抗剪切變形的能力，這種性質(zhì)稱液體粘滯性，此內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。內(nèi)摩擦力做功能量損失1、粘滯性

因：

液體質(zhì)點(diǎn)（液層）間存在相對運(yùn)動（快慢）

果：質(zhì)點(diǎn)間（液層）間存在內(nèi)摩擦力（1）方向：與該液層相對運(yùn)動速度方向相反（2）大?。河膳ｎD內(nèi)摩擦定律決定

1.2.4液體的粘滯性39當(dāng)液體質(zhì)點(diǎn)（液層）間存在相對運(yùn)動時液體質(zhì)點(diǎn)（液層）間產(chǎn)生40根據(jù)前人的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，液層接觸面上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力（單位面積上）大小，與液層之間的流速差成正比，與兩液層距離成反比，同時與液體的性質(zhì)有關(guān)。試驗(yàn)成果寫成表達(dá)式為：τ—切應(yīng)力，（單位面積上的內(nèi)摩擦力）2、牛頓內(nèi)摩擦定律

1.2.4液體的粘滯性40根據(jù)前人的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，液層接觸面上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力（單位41yτudyuu+du2、牛頓內(nèi)摩擦定律

1.2.4液體的粘滯性41yτudyuu+du2、牛頓內(nèi)摩擦定律1.2.4液式中，μ為液體的動力粘滯系數(shù)，du/dy為流速梯度，y為垂直于流速方向，τ為切應(yīng)力，方向與作用面平行與相對運(yùn)動方向相反。422、牛頓內(nèi)摩擦定律

1.2.4液體的粘滯性du/dy的進(jìn)一步理解:剪切變形速度式中，μ為液體的動力粘滯系數(shù)，du/dy為流速梯度，y為43微元水體運(yùn)動的示意圖證明:液體的流速梯度即為液體的剪切變形速度故:

1.2.4液體的粘滯性dudtu+duuyτudydy

dθ

43微元水體運(yùn)動的示意圖證明:液體的流速梯度即為液體的剪切44故:相鄰液層之間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與剪切變形速度成正比所以,液體的粘滯性可視為液體抵抗剪切變形的特性，剪切變形越大，所產(chǎn)生內(nèi)摩擦力越大，對相對運(yùn)動液層抵抗越大。

1.2.4液體的粘滯性44故:相鄰液層之間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與剪切變形速度成正比所以,45牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

1.μ—動力粘度（動力粘滯系數(shù)）反映了粘性的強(qiáng)弱，與液體種類有關(guān)。量綱：[MT-1L-1]，單位：N·s·m-2＝Pa·s，

2.ν—運(yùn)動粘度（運(yùn)動粘滯系數(shù)）量綱：[L2T-1]，單位：m2/s

1.2.4液體的粘滯性45牛頓內(nèi)摩擦定律分析：1.μ—動力粘度（動力粘滯系數(shù)）46同一種液體中，粘滯系數(shù)(μν)=f(p,t)=隨壓力和溫度變化，但是隨壓力變化甚微，對溫度變化較為敏感。牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

對于水，可采用下列經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，t(℃)水溫度，ν（cm2/s)

1.2.4液體的粘滯性46同一種液體中，粘滯系數(shù)(μν)=f(p47

水和空氣的運(yùn)動粘滯系數(shù)隨溫度的變化曲線可見：對于水（液體）隨溫度上升而減少，對于空氣其隨溫度上升增大。原因在于兩者分子結(jié)構(gòu)不同。牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

1.2.4液體的粘滯性47水和空氣的運(yùn)動粘滯系數(shù)隨溫度的變化曲線可見：對于水（48

液體的分子間距比氣體的分子間距要小，相互間吸引力起主要作用，當(dāng)溫度升高時，間距增大，吸引力減小，因此同樣剪切變形速率所發(fā)生的切應(yīng)力隨之減小。氣體的分子間距較大，吸引力影響很小，根據(jù)氣體分子運(yùn)動理論，分子的動量交換頻率因溫度升高而加劇，切應(yīng)力隨之增加。牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

1.2.4液體的粘滯性48液體的分子間距比氣體的分子間距要小，相互間吸引力起主要493.粘滯性對流動的影響形成流速不均勻分布產(chǎn)生內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力是阻力，耗能牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

4.牛頓內(nèi)摩擦定律的適用條件液體做層流運(yùn)動牛頓流體(圖示見下頁)

1.2.4液體的粘滯性493.粘滯性對流動的影響牛頓內(nèi)摩擦定律分析：4.牛頓內(nèi)摩50

適用條件：牛頓流體（Newtonianfluid）牛頓流體的適用條件

du/dyτμ1牛頓流體τ0理想賓漢流體

泥漿，血液等偽塑性流體

尼龍，橡膠的溶液膨脹性流體生面團(tuán)，濃淀粉等50適用條件：牛頓流體（Newtonianfluid）515.理想液體和實(shí)際液體理想液體—無粘性的液體，并不存在研究理想液體的目的：簡化理論分析過程近似應(yīng)用于粘度很小的實(shí)際液體牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

1.2.4液體的粘滯性6.靜止液體，無質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動，無粘性顯示515.理想液體和實(shí)際液體牛頓內(nèi)摩擦定律分析：1.2.452圖牛頓流體的適用條件

du/dyτμ1牛頓流體τ0理想賓漢流體

泥漿，血液等偽塑性流體

尼龍，橡膠的溶液膨脹性流體生面團(tuán)，濃淀粉等理想液體

適用條件：牛頓流體（Newtonianfluid）52圖牛頓流體的適用條件du/dyτμ1牛頓流體τ0理531.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

1.2.4液體的粘滯性

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性

1.2.6液體的表面張力1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度

1.2.3重力和重度531.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念541.壓縮性：當(dāng)液體承受壓力后，體積要縮小，壓力撤出后也能恢復(fù)原狀，這種性質(zhì)稱為液體的彈性或壓縮性。液體的壓縮性大小用體積壓縮系數(shù)或彈性系數(shù)表示。

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性2.體積壓縮系數(shù)：

pp+dpVV+dV圖:液體體積的壓縮示意式中，β為體積壓縮系數(shù)，β值越大，液體壓縮性越大。解釋：“－”表示壓強(qiáng)增大，體積縮小，體積增量dV與壓強(qiáng)增量dp符號相反，為了保證β是一個非負(fù)數(shù)，前面冠以“－”。541.壓縮性：當(dāng)液體承受壓力后，體積要縮小，壓力撤出后也55單位：Pa，kPa物理意義：K越大，液體越不容易壓縮，K→∞表示液體絕

對不可壓縮。

3.體積彈性系數(shù)：液體是不可壓縮

例如，在溫度t=20℃，K＝2.10×106kPa即每增加一個大氣壓，水的體積相對壓縮量僅兩萬分之一。特殊問題必須考慮液體壓縮性例如，電站出現(xiàn)事故，突然關(guān)閉電站進(jìn)水閥門，則進(jìn)水管中壓力突然升高，液體受到壓縮，產(chǎn)生的彈性力對運(yùn)動的影響不能忽視。注意

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性55單位：Pa，kPa物理意義：K越大，液體越不容易壓縮561.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

1.2.4液體的粘滯性

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性

1.2.6液體的表面張力1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度

1.2.3重力和重度561.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念57

定義：自由面上液體分子受到的極其微小的拉力；原因：自由表面上液體分子和兩側(cè)分子引力不平衡。

表面張力不在液體的內(nèi)部存在，只存在于液體表面

液體的表面張力較小，一般對液體的宏觀運(yùn)動不起作用可忽略不計。

某些情況下要考慮。例如，水滴霧化

1.2.6液體的表面張力57定義：自由面上液體分子受到的極其微小的拉力；1.2.58由于表面張力作用，玻璃管中液面和與之連同的大容器中的液

面不在同一水平面上，這種現(xiàn)象叫毛細(xì)現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)室量測流體壓強(qiáng)時，對測壓管的內(nèi)徑有何要求？土地鹽堿化現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理？h水水銀思考毛細(xì)現(xiàn)象(capillarity)毛細(xì)現(xiàn)象盛有液體的細(xì)玻璃管叫做測壓管。

1.2.6液體的表面張力TTTTh58由于表面張力作用，玻璃管中液面和與之連同的大容器中的液591.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1.2液體的主要物理性質(zhì)1.3作用在液體上的力1.4水力學(xué)的研究方法1緒論591.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1緒論601.3

作用于液體上的力

按物理性質(zhì)分類：

按力的作用方式分類：重力慣性力粘滯力彈性力表面張力表面力質(zhì)量力601.3作用于液體上的力按物理性質(zhì)分類：61

質(zhì)量力：作用于液體每一個質(zhì)點(diǎn)上，其大小和液體的質(zhì)量成正比，例如，重力、慣性力等。在均質(zhì)液體中，質(zhì)量和體積是成正比的，所以，質(zhì)量力又稱為體積力。

質(zhì)量力除用總作用力表示外，也常用單位質(zhì)量力度量，單位質(zhì)量力是作用在單位質(zhì)量液體上的質(zhì)量力。

1.質(zhì)量力61質(zhì)量力：作用于液體每一個質(zhì)點(diǎn)上，其大小和液體的質(zhì)量成正

若一質(zhì)量為M的均質(zhì)液體，作用于其上的總質(zhì)量力為F，則單位質(zhì)量力f為f=F/M=(Fx,Fy,Fz)/M62在三個坐標(biāo)方向的投影為式中：FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z為總質(zhì)量力在三個坐標(biāo)方向的投影；

X，Y，Z為單位質(zhì)量力在三個坐標(biāo)方向的投影，或稱作x，y，z方向的單位質(zhì)量力。(fx,fy,fz)

1.質(zhì)量力若一質(zhì)量為M的均質(zhì)液體，作用于其上的總質(zhì)量力為F，則單位質(zhì)63例如

在重力作用下的液體

X

＝Y(jié)＝0，Z

＝-g；

G=Mgxyz

1.質(zhì)量力63例如在重力作用下的液體G=Mgxyz1.質(zhì)量力64

表面力作用于液體表面，并與作用面的表面積成正比的力為表面力。例如，壓力，粘滯力等。表面力的大小可用總作用力表示，也常用單位面積上所受的表面力（即應(yīng)力）表示。若表面力和作用面垂直，此應(yīng)力稱為壓應(yīng)力或壓強(qiáng)。若表面力和作用面平行，則此應(yīng)力稱為切應(yīng)力。

2.表面力64表面力作用于液體表面，并與作用面的表面積成正比的力為表651.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1.2液體的主要物理性質(zhì)1.3作用在液體上的力1.4水力學(xué)的研究方法1緒論651.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1緒論66研究方法：

理論分析、數(shù)值計算和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合1.3

水力學(xué)的研究方法66研究方法：理論分析、數(shù)值計算和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合1.3水力67

將普遍規(guī)律、公理，如：

牛頓定律

能量守恒原理

力系的平衡定律

動能定律

動量定律等用于液體分析中，建立液體微分方程、積分方程，優(yōu)化方程，結(jié)合邊界條件、限定條件求解。

理論分析

1.3

水力學(xué)的研究方法67將普遍規(guī)律、公理，如：理論分析1.3水力學(xué)的研68利用計算機(jī)技術(shù)，數(shù)值求解描述液體運(yùn)動的微分方程、積分方程等，得到問題的數(shù)值解。

數(shù)值計算

1.3

水力學(xué)的研究方法68利用計算機(jī)技術(shù)，數(shù)值求解描述液體運(yùn)動的微分方程、積分方程69分為原型觀測和模型實(shí)驗(yàn)兩類；其成果是檢驗(yàn)水力學(xué)理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)研究

1.3

水力學(xué)的研究方法69分為原型觀測和模型實(shí)驗(yàn)兩類；實(shí)驗(yàn)研究1.3水力學(xué)70本課程學(xué)習(xí)方法：

70本課程學(xué)習(xí)方法：71本章內(nèi)容結(jié)束

作業(yè)

1-11-31-41-51-61-771本章內(nèi)容結(jié)束72水力學(xué)

1水力學(xué) 731緒論1.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1.2液體的主要物理性質(zhì)1.3作用在液體上的力1.4水力學(xué)的研究方法21緒論1.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況741.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1.2液體的主要物理性質(zhì)1.3作用在液體上的力1.4水力學(xué)的研究方法1緒論31.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1緒論75水力學(xué)定義研究

液體

平衡

機(jī)械運(yùn)動規(guī)律

應(yīng)用

一門力學(xué)科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)課對象內(nèi)容課程性質(zhì)所屬科學(xué)性質(zhì)液體處于靜止（相對靜止）狀態(tài)下，作用于液體上的各種作用力之間的關(guān)系液體在運(yùn)動狀態(tài)時，作用于液體上的力與運(yùn)動要素之間的關(guān)系，及運(yùn)動的特征和能量轉(zhuǎn)換4水力學(xué)定義研究對象內(nèi)容課程性質(zhì)所屬科學(xué)性質(zhì)液體處于靜止（相76

本課程內(nèi)容：

1緒論2水靜力學(xué)3水動力學(xué)基礎(chǔ)4流動型態(tài)和水頭損失5量綱分析和液流相似原理6恒定管流7明渠恒定流動8孔口出流、堰頂溢流和閘口出流9泄水建筑物下游的水流銜接與消能10有壓管道和明渠非恒定流11滲流理論基礎(chǔ)基本應(yīng)用5本課程內(nèi)容：1緒論理77水利工程中常見的水力學(xué)問題：

水力荷載—水體對水工建筑物的作用力

當(dāng)關(guān)閉閘門，水庫蓄水時，為了計算閘門的強(qiáng)度、剛度、校核大壩的穩(wěn)定性，必須考慮上下游水體對大壩和閘門的作用力。6水利工程中常見的水力學(xué)問題：水力荷載—水體對水工建筑物的78當(dāng)渲泄洪水時，必須確定校核大壩所能夠通過流量，以確保大壩安全泄洪；或已知泄量，確定大壩的溢流寬度。

泄水建筑物的過流能力水利工程中常見的水力學(xué)問題：7當(dāng)渲泄洪水時，必須確定校核大壩所能夠通過泄水建筑物的過流79由于大壩壅高水位，泄洪時，下泄的水流動能較大，會沖擊河床，危及大壩的安全。因此，必須采取工程措施，消耗過大的動能，減輕對河床的沖刷。

水能的利用與消耗水利工程中常見的水力學(xué)問題：8由于大壩壅高水位，泄洪時，下泄的水流動能較大，會沖擊河床，80大壩建成后，水流會通過土壤、巖石中的縫隙形成滲流，對壩基產(chǎn)生作用力，同時產(chǎn)生滲透變形，會危及大壩的安全。

泄水建筑物的滲流問題水利工程中常見的水力學(xué)問題：9大壩建成后，水流會通過土壤、巖石中的縫隙形成滲流，對壩基產(chǎn)81分析天然河道的洪水水面線，確定防洪堤防高程，確定人工渠道的過流能力，如南水北調(diào)工程。

水流的流動形態(tài)—河渠水面曲線計算水利工程中常見的水力學(xué)問題：10分析天然河道的洪水水面線，確定防洪堤防高程，確定人工渠道82

例如：黃河上高含沙問題

河流泥沙水利工程中常見的水力學(xué)問題：11例如：黃河上高含沙問題河流泥沙水利工程中常見83

水污染水利工程中常見的水力學(xué)問題：12水污染水利工程中常見的水力學(xué)問題：84水泵：葉片、轉(zhuǎn)輪體型水輪機(jī)：葉片、轉(zhuǎn)輪體型蝸殼：

水力機(jī)械水利工程中常見的水力學(xué)問題：13水泵：葉片、轉(zhuǎn)輪體型水力機(jī)械水利工程中常見的水力學(xué)問題85相傳四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水春秋戰(zhàn)國末期（公元前221前左右）都江堰，當(dāng)時對堰流理論有一定認(rèn)識秦始皇元年（公元前246）韓國水工鄭國主持興建鄭國渠，大約與此同時，羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)。秦始皇二十八年(公元前219)修建的靈渠，溝通長江水系和珠江水系的古運(yùn)河

水力學(xué)發(fā)展簡史

古代中國水力學(xué)發(fā)展14相傳四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水水力學(xué)86公元1363年（元末）銅壺滴漏計算時間，當(dāng)時已認(rèn)識到孔口出流和上游水位間存在一定的關(guān)系。明朝張季訓(xùn)提出“塞旁決以挽正流，以堤束水，以水攻沙”的治理黃河的措施。當(dāng)時對流速與過水?dāng)嗝娉煞幢鹊倪B續(xù)方程和一定量的水流能攜帶一定量的泥沙規(guī)律有一定認(rèn)識。清朝初年，何夢瑤等人提出用過水?dāng)嗝婷娣e乘以流速計算流量的方法。古代勞動人民懂得用水流的沖力帶動水車、水磨等水力機(jī)械。

古代中國水力學(xué)發(fā)展

水力學(xué)發(fā)展簡史

15公元1363年（元末）銅壺滴漏計算時間，當(dāng)時已認(rèn)識到孔口87

阿基米德（Archimedes，公元前287－212）

古希臘學(xué)者阿基米德在公元前250年發(fā)表論文《論浮體》，第一個闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理──阿基米德原理;列奧納德.達(dá).芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452－1519）設(shè)計建造一小型水渠，系統(tǒng)研究物體的沉浮、孔口出流、物體的運(yùn)動阻力及管道、明渠中水流等問題;

以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

16阿基米德（Archimedes，公元前287－212）88斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）將用于研究固體平衡的凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上;1653年，帕斯卡（B.Pascal）建立了平衡液體中壓強(qiáng)傳遞的規(guī)律－巴斯卡定律，使水靜力學(xué)理論得到進(jìn)一步發(fā)展;1643年，托里拆利（E.Torricelli）提出了液體孔口出流關(guān)系式;

以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

17斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）將用于研究891686年，牛頓（Newton）提出了關(guān)于液體內(nèi)摩擦的假定和粘滯性的概念，建立液體的內(nèi)摩擦定律;1738年，伯努里（D.Bernoulli）建立了理想液體運(yùn)動的能量方程－伯努里方程;1775年，歐拉（L.Euler）建立了理想液體的運(yùn)動方程－歐拉運(yùn)動微分方程;

以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

181686年，牛頓（Newton）提出了關(guān)于液體內(nèi)摩擦的假901843年，納維(L.M.H.Navier)和斯托克斯(G.G.Stokes)建立了實(shí)際液體的運(yùn)動方程－納維斯托克斯方程，奠定了古典流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)，使它成為力學(xué)的一個分支;1856年，達(dá)西(H.Darcy)建立了砂土滲流基本定律。首先提出:通過試樣的流量與試樣橫斷面積及試樣兩端測壓管水頭差成正比，與試樣的高度成反比。納維斯托克斯

以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)達(dá)西

水力學(xué)發(fā)展簡史

191843年，納維(L.M.H.Navier)和斯托克斯(911769年，謝才（A.Chezy）在一系列渠道水流實(shí)測資料基礎(chǔ)上,提出明渠均勻流流速與流量的經(jīng)驗(yàn)公式－謝才公式，以后又有確定謝才系數(shù)的曼寧公式、巴普洛甫斯基公式;1732年，畢托(H.Pitot)發(fā)明了量測水流流速的畢托管;1797年，文丘里（G.BVenturi）創(chuàng)造了量測管道流量的文丘里管。

求解各種實(shí)際水力學(xué)問題的經(jīng)驗(yàn)方法

水力學(xué)發(fā)展簡史

201769年，謝才（A.Chezy）在一系列渠道水流實(shí)測92隨著現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)和新技術(shù)的迅速發(fā)展，以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)，實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)水力學(xué)都不能滿足生產(chǎn)發(fā)展要求，逐漸形成了以理論和試驗(yàn)研究結(jié)合的現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)

現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

21隨著現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)和新技術(shù)的迅速發(fā)展，以純理論分析為基礎(chǔ)的931883年，雷諾(O.Reynolds)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了液流兩種流態(tài)－層流和紊流。1894年，又提出了紊流的基本方程－雷諾方程；1891年，儒科夫斯基首先建立了試驗(yàn)風(fēng)洞。1905年，又提出了圓柱繞流的升力理論；

現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

221883年，雷諾(O.Reynolds)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了液941904年，普朗特(L.Prantl)觀測分析了固體邊界對液流的影響，首先提出液流邊界層概念，后來對層流邊界層的研究，形成了邊界層理論，在流體力學(xué)、水力學(xué)研究歷史上，具有劃時代的意義。1891年，尼古拉茲（J.Nikuradse）德國學(xué)者分別對各種人工粗糙管道和明渠系統(tǒng)試驗(yàn)研究。1938年，蔡克士達(dá)進(jìn)一步揭示了管道和渠道紊流阻力和水頭損失規(guī)律。

現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)

水力學(xué)發(fā)展簡史

231904年，普朗特(L.Prantl)觀測分析了固體邊界95自上世紀(jì)50年代以來在科學(xué)技術(shù)的推動下，國內(nèi)外對水力學(xué)中各個問題展開了廣泛的研究

建國以后水力學(xué)的發(fā)展

紊流邊界層理論水工水力學(xué)管道和明渠非恒定流滲流高速水流（高速水力學(xué)）波浪運(yùn)動相似理論等領(lǐng)域取得了豐碩成果，豐富和發(fā)展了水力學(xué)的內(nèi)容

水力學(xué)發(fā)展簡史

24自上世紀(jì)50年代以來在科學(xué)技術(shù)的推動下，國內(nèi)外對水力學(xué)中96各種量測的試驗(yàn)儀器，得到進(jìn)一步發(fā)展，例如，激光，PIV測速等技術(shù)?，F(xiàn)在，水力學(xué)（工程流體力學(xué)）已成為一門理論、實(shí)驗(yàn)和計算相結(jié)合的學(xué)科。同時，又出現(xiàn)了一些新的水力學(xué)分支環(huán)境水力學(xué)隨機(jī)水力學(xué)計算水力學(xué)

建國以后水力學(xué)的發(fā)展

水力學(xué)發(fā)展簡史

25各種量測的試驗(yàn)儀器，得到進(jìn)一步發(fā)展，例如，激光，PIV971.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1.2液體的主要物理性質(zhì)1.3作用在液體上的力1.4水力學(xué)的研究方法1緒論261.1水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況1緒論981.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

1.2.4液體的粘滯性

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性

1.2.6液體的表面張力1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度

1.2.3重力和重度271.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念99

1.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)1、液體的基本特征自然界物質(zhì)存在三種形式

固體

液體氣體

流體281.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)1、液體的基本特征100

固體

液體氣體

固定形狀和體積內(nèi)部存在拉力、壓力和剪力

不能保持固定形狀，壓縮性小，不能承受拉力，微弱剪力作用下，流體發(fā)生變形和流動；靜止?fàn)顟B(tài)下，液體不能承受剪切力

不能保持固定的體積和形狀可壓縮和膨脹主要區(qū)別：變形主要區(qū)別：壓縮性

1.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)1、液體的基本特征29固體液體氣體固定形狀和體積內(nèi)部存在拉力、壓力和剪101液體由分子組成，分子之間存在空隙，介質(zhì)不連續(xù)，分子間距相當(dāng)微小。現(xiàn)代物理學(xué)指出，常溫下，每立方厘米水中，約含3×1022個分子，相鄰分子間距約3×10－8cm。可見，分子間距相當(dāng)微小，在很小體積中，包含難以計數(shù)的分子。水力學(xué)中，把液體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)液體是一種無間隙的充滿其所占據(jù)空間的連續(xù)介質(zhì)2、連續(xù)介質(zhì)的概念3×10－8cm

1.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)30液體由分子組成，分子之間存在空隙，介質(zhì)不連續(xù)，分子間距102

連續(xù)介質(zhì)的概念由瑞士學(xué)者歐拉（Euler）1753年首先建立，這一假定在流體力學(xué)發(fā)展上起到了巨大作用。

如果液體視為連續(xù)介質(zhì)，則液體中一切物理量（速度、壓強(qiáng)和密度等）可視為空間（液體所占據(jù)空間）坐標(biāo)和時間的連續(xù)函數(shù)。研究液體運(yùn)動時，可利用連續(xù)函數(shù)分析方法。

質(zhì)點(diǎn)—大量分子組成的液體微團(tuán)，是連續(xù)介質(zhì)的最小單位。

1.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)2、連續(xù)介質(zhì)的概念31連續(xù)介質(zhì)的概念由瑞士學(xué)者歐拉（Euler）1753年首103

單位——量度物理量數(shù)值大小的標(biāo)準(zhǔn)例如：長度單位（m），質(zhì)量（kg），力（N）

量綱——物理量的性質(zhì)

國際單位制中的基本量綱：長度[L]；時間[T]；質(zhì)量[M]3、量綱和單位

1.2.1液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)32單位——量度物理量數(shù)值大小的標(biāo)準(zhǔn)3、量綱和單位1.21041.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

1.2.4液體的粘滯性

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性

1.2.6液體的表面張力1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度

1.2.3重力和重度331.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念105均質(zhì)液體：=式中，M為液體的質(zhì)量；V為的體積對于非均質(zhì)液體：=式中，ΔM為任意微元的液體質(zhì)量；ΔV為任意微元的液體體積。量綱：[ρ]=[ML-3]，單位：kg·m-3

MVΔM,ΔV

慣性—液體保持原有運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)

質(zhì)量—慣性大小的量度[M](kg)

密度—單位體積所包含的質(zhì)量[ρ]

1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度34均質(zhì)液體：=式中，M為液體的質(zhì)量；V為的體積對于非均質(zhì)1061.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

1.2.4液體的粘滯性

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性

1.2.6液體的表面張力1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度

1.2.3重量和重度351.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念107

重量—液體所受的地球引力（重力）[G]

G=Mg,式中g(shù)為加速度。

1.2.3重力和重度

重度——單位體積液體的重量（容重）[γ]均質(zhì)液體：

或：則:量綱：[γ]＝[F·L-3],單位：N·m-3或kN·m-3

不同液體重度不同，γ

＝f(p,t)，隨壓強(qiáng)和溫度的變化甚微，一般工程上視為常數(shù)。取一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溫度為4℃蒸餾水計算，則ρ=1000kg/m3

，γ=

ρg＝9800（N·m-3）＝9.8（kN·m-3）。36重量—液體所受的地球引力（重力）[G]1.2.31081.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

1.2.4液體的粘滯性

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性

1.2.6液體的表面張力1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度

1.2.3重力和重度371.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念109從運(yùn)動的液體中取出兩個相鄰的液層進(jìn)行分析uδABτABτBAuABABuBA平板縫隙中的潤滑油流動

兩個相鄰微元液層受力分析靜止?fàn)顟B(tài)下：液體不能承受切應(yīng)力運(yùn)動狀態(tài)下：液體具有抵抗剪切變形的能力粘滯性：油、瀝青、糖水、（水）

1.2.4液體的粘滯性38從運(yùn)動的液體中取出兩個相鄰的液層進(jìn)行分析uδABτABτ110當(dāng)液體質(zhì)點(diǎn)（液層）間存在相對運(yùn)動時液體質(zhì)點(diǎn)（液層）間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對運(yùn)動（液體連續(xù)變形）或液體在相對運(yùn)動狀態(tài)下抵抗剪切變形的能力，這種性質(zhì)稱液體粘滯性，此內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。內(nèi)摩擦力做功能量損失1、粘滯性

因：

液體質(zhì)點(diǎn)（液層）間存在相對運(yùn)動（快慢）

果：質(zhì)點(diǎn)間（液層）間存在內(nèi)摩擦力（1）方向：與該液層相對運(yùn)動速度方向相反（2）大?。河膳ｎD內(nèi)摩擦定律決定

1.2.4液體的粘滯性39當(dāng)液體質(zhì)點(diǎn)（液層）間存在相對運(yùn)動時液體質(zhì)點(diǎn)（液層）間產(chǎn)生111根據(jù)前人的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，液層接觸面上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力（單位面積上）大小，與液層之間的流速差成正比，與兩液層距離成反比，同時與液體的性質(zhì)有關(guān)。試驗(yàn)成果寫成表達(dá)式為：τ—切應(yīng)力，（單位面積上的內(nèi)摩擦力）2、牛頓內(nèi)摩擦定律

1.2.4液體的粘滯性40根據(jù)前人的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，液層接觸面上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力（單位112yτudyuu+du2、牛頓內(nèi)摩擦定律

1.2.4液體的粘滯性41yτudyuu+du2、牛頓內(nèi)摩擦定律1.2.4液式中，μ為液體的動力粘滯系數(shù)，du/dy為流速梯度，y為垂直于流速方向，τ為切應(yīng)力，方向與作用面平行與相對運(yùn)動方向相反。1132、牛頓內(nèi)摩擦定律

1.2.4液體的粘滯性du/dy的進(jìn)一步理解:剪切變形速度式中，μ為液體的動力粘滯系數(shù)，du/dy為流速梯度，y為114微元水體運(yùn)動的示意圖證明:液體的流速梯度即為液體的剪切變形速度故:

1.2.4液體的粘滯性dudtu+duuyτudydy

dθ

43微元水體運(yùn)動的示意圖證明:液體的流速梯度即為液體的剪切115故:相鄰液層之間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與剪切變形速度成正比所以,液體的粘滯性可視為液體抵抗剪切變形的特性，剪切變形越大，所產(chǎn)生內(nèi)摩擦力越大，對相對運(yùn)動液層抵抗越大。

1.2.4液體的粘滯性44故:相鄰液層之間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與剪切變形速度成正比所以,116牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

1.μ—動力粘度（動力粘滯系數(shù)）反映了粘性的強(qiáng)弱，與液體種類有關(guān)。量綱：[MT-1L-1]，單位：N·s·m-2＝Pa·s，

2.ν—運(yùn)動粘度（運(yùn)動粘滯系數(shù)）量綱：[L2T-1]，單位：m2/s

1.2.4液體的粘滯性45牛頓內(nèi)摩擦定律分析：1.μ—動力粘度（動力粘滯系數(shù)）117同一種液體中，粘滯系數(shù)(μν)=f(p,t)=隨壓力和溫度變化，但是隨壓力變化甚微，對溫度變化較為敏感。牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

對于水，可采用下列經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，t(℃)水溫度，ν（cm2/s)

1.2.4液體的粘滯性46同一種液體中，粘滯系數(shù)(μν)=f(p118

水和空氣的運(yùn)動粘滯系數(shù)隨溫度的變化曲線可見：對于水（液體）隨溫度上升而減少，對于空氣其隨溫度上升增大。原因在于兩者分子結(jié)構(gòu)不同。牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

1.2.4液體的粘滯性47水和空氣的運(yùn)動粘滯系數(shù)隨溫度的變化曲線可見：對于水（119

液體的分子間距比氣體的分子間距要小，相互間吸引力起主要作用，當(dāng)溫度升高時，間距增大，吸引力減小，因此同樣剪切變形速率所發(fā)生的切應(yīng)力隨之減小。氣體的分子間距較大，吸引力影響很小，根據(jù)氣體分子運(yùn)動理論，分子的動量交換頻率因溫度升高而加劇，切應(yīng)力隨之增加。牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

1.2.4液體的粘滯性48液體的分子間距比氣體的分子間距要小，相互間吸引力起主要1203.粘滯性對流動的影響形成流速不均勻分布產(chǎn)生內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力是阻力，耗能牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

4.牛頓內(nèi)摩擦定律的適用條件液體做層流運(yùn)動牛頓流體(圖示見下頁)

1.2.4液體的粘滯性493.粘滯性對流動的影響牛頓內(nèi)摩擦定律分析：4.牛頓內(nèi)摩121

適用條件：牛頓流體（Newtonianfluid）牛頓流體的適用條件

du/dyτμ1牛頓流體τ0理想賓漢流體

泥漿，血液等偽塑性流體

尼龍，橡膠的溶液膨脹性流體生面團(tuán)，濃淀粉等50適用條件：牛頓流體（Newtonianfluid）1225.理想液體和實(shí)際液體理想液體—無粘性的液體，并不存在研究理想液體的目的：簡化理論分析過程近似應(yīng)用于粘度很小的實(shí)際液體牛頓內(nèi)摩擦定律分析：

1.2.4液體的粘滯性6.靜止液體，無質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動，無粘性顯示515.理想液體和實(shí)際液體牛頓內(nèi)摩擦定律分析：1.2.4123圖牛頓流體的適用條件

du/dyτμ1牛頓流體τ0理想賓漢流體

泥漿，血液等偽塑性流體

尼龍，橡膠的溶液膨脹性流體生面團(tuán)，濃淀粉等理想液體

適用條件：牛頓流體（Newtonianfluid）52圖牛頓流體的適用條件du/dyτμ1牛頓流體τ0理1241.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

1.2.4液體的粘滯性

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性

1.2.6液體的表面張力1.2.2液體的慣性、質(zhì)量和密度

1.2.3重力和重度531.2.1液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念1251.壓縮性：當(dāng)液體承受壓力后，體積要縮小，壓力撤出后也能恢復(fù)原狀，這種性質(zhì)稱為液體的彈性或壓縮性。液體的壓縮性大小用體積壓縮系數(shù)或彈性系數(shù)表示。

1.2.5液體的壓縮性和膨脹性2.體積壓縮系數(shù)：

pp+dpVV+dV圖:液體體積的壓縮示意式中，β為體積壓縮系數(shù)，β值越大，液體壓縮性越大。解釋：“－”表示壓強(qiáng)增大，體積縮小，體積增量dV與壓強(qiáng)增量dp符號相反，為了保證β是一個非負(fù)數(shù)，前面冠以“－”。541.壓縮性：當(dāng)液體承受壓力后，體積要縮小，壓力撤出后也126單位：Pa，kPa物理意義：K越大，液體越不容易壓縮，K→∞表示液體絕

對不可壓縮。

3.體積彈性系數(shù)：液體是不可壓縮