內(nèi)科大水力學(xué)課件01緒論

水力學(xué)第一章緒論力學(xué)基礎(chǔ)課程水力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程水利學(xué)科有關(guān)專業(yè)課程一.課程的性質(zhì)和任務(wù)

水力學(xué)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是連接前期基礎(chǔ)課程和后續(xù)專業(yè)課程的橋梁。課程的學(xué)習(xí)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)際問題的能力，為專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。（一）課程地位（二）水力學(xué)研究的對(duì)象1.水力學(xué)的定義：水力學(xué)是研究液體處于靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律，并探討運(yùn)用這些規(guī)律解決工程實(shí)際問題的一門科學(xué)。水力學(xué)又是力學(xué)的一個(gè)分支。2.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)律及其在工程中的應(yīng)用。3.研究對(duì)象：液體及不可壓縮氣體。（三）水力學(xué)由以下內(nèi)容構(gòu)成

水力學(xué)所研究的基本規(guī)律：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。

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。水工建筑物及河槽所受水力荷載水工建筑物及河槽過水能力水流流動(dòng)形態(tài)水流能量消耗和利用（四）給水排水工程專業(yè)中的水力學(xué)問題（五）水力學(xué)的在工程中的應(yīng)用水力學(xué)

1.確定水工建筑物所受的水力荷載vvFF2.確定水工建筑物過水能力3.分析水流流動(dòng)形態(tài)4.確定水流能量消耗和利用三峽大壩遠(yuǎn)景三峽大壩泄洪每秒可泄11萬立方米，每天可泄約100億立方米，兩天半即可泄空。5.單價(jià)超10億美元，能抵御大風(fēng)浪的海上采油平臺(tái)6.排水量達(dá)50萬噸以上的超大型運(yùn)輸船7.航速達(dá)30節(jié)，深潛達(dá)數(shù)百米的核動(dòng)力潛艇；1節(jié)＝1852m/h8.時(shí)速達(dá)200公里的新型快艇9.毛細(xì)血管流動(dòng)10.利用超高速氣體動(dòng)力學(xué)，物理化學(xué)流體力學(xué)和稀薄氣體力學(xué)的研究成果，人類制造出航天飛機(jī)，建立太空站，實(shí)現(xiàn)了人類登月的夢想。神七！航天員在水中模擬失重訓(xùn)練二.液體的基本特征與連續(xù)介質(zhì)的概念（一）液體的基本特性：

1.液體與固體的主要區(qū)別在于易流動(dòng)性，而液體與氣體的主要區(qū)別在于是否具有可壓縮性。簡單的講就是兩個(gè)力量相同方向相反的力同時(shí)作用在一個(gè)物體上,像剪刀一樣的力。什么叫剪切力？2.靜止流體不能承受剪切力3.流體不能承受集中力，只能承受分布力。4.流體能承受壓力，抵抗壓縮變形。

即假設(shè)液體是一種連續(xù)充滿其所占據(jù)空間毫無空隙的連續(xù)體。

特點(diǎn)：液體中的一切物理量都可以視為空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，因此可采用連續(xù)函數(shù)的分析方法。

長期的生產(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)律的基本理論與客觀實(shí)際是十分符合的。其物理特性和運(yùn)動(dòng)要素在空間是連續(xù)分布的。（二）連續(xù)介質(zhì)的概念

因此液體的基本特性是：易流動(dòng)、不易壓縮、均勻等向的連續(xù)介質(zhì)。3.3×1022個(gè)分子1cm3液體（標(biāo)況下）相鄰分子間距為3.1×10－8cm

宏觀（流體力學(xué)處理問題的尺度）上看，流體質(zhì)點(diǎn)足夠小，只占據(jù)一個(gè)空間幾何點(diǎn)，體積趨于零。微觀（分子自由程的尺度）上看，流體質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)足夠大的分子團(tuán)，包含了足夠多的流體分子，以致于對(duì)這些分子行為的統(tǒng)計(jì)平均值是穩(wěn)定的。表征流體物理特性和運(yùn)動(dòng)要素的物理量定義在流體質(zhì)點(diǎn)上。（三）流體質(zhì)點(diǎn)的概念

流體質(zhì)點(diǎn)是指幾何尺寸同流體空間相比是極小量，但是含有大量分子的微元體。三.液體的主要物理性質(zhì)（一）慣性、質(zhì)量與密度

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)外界抵抗的反作用力。單位：N

密度：是指單位體積液體所含有的質(zhì)量。國際單位：kg/m3

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，4℃時(shí)水密度為1000kg/m3

。

重力：地球?qū)ξ矬w的引力稱為重力或重量。大小為：G＝Mg，g：重力加速度。

液體的容重：是指單位體積液體所具有的重量。國際單位：N／m3（二）重力與容重（三）粘滯性

粘滯性及粘滯力：當(dāng)液體處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，若液體質(zhì)點(diǎn)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則質(zhì)點(diǎn)間要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種性質(zhì)稱為液體的粘滯性，此內(nèi)摩擦力又稱為粘滯力。τ通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明：∝引入動(dòng)力粘性系數(shù)：切應(yīng)力τ為：什么叫切應(yīng)力？

材料發(fā)生形變時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定義單位面積上的這種反作用力為應(yīng)力；按照應(yīng)力和應(yīng)變的方向關(guān)系，可以將應(yīng)力分為正應(yīng)力σ和切應(yīng)力τ，正應(yīng)力的方向與作用面垂直，而切應(yīng)力的方向與作用面平行。

牛頓內(nèi)摩擦定律τ

牛頓內(nèi)摩擦定律：作層流運(yùn)動(dòng)的液體，相互鄰近層間單位面積上所作用的內(nèi)摩擦力（或粘滯力），與流速梯度（剪切變形速率、角變形速率）成正比。粘性越大的流體，越不容易流動(dòng)，流動(dòng)過程中消耗的機(jī)械能越大。粘性是流體流動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能損失的根源?！?/p>

為運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，國際單位：m2/s牛頓內(nèi)摩擦定律的適用條件：層流運(yùn)動(dòng)和牛頓流體。理想賓漢流體牛頓流體偽塑性流體

膨脹性流體

BμCADdu/dyτO1A線為牛頓流體，只要溫度不變，牛頓流體的μ值不變，如水、空氣、汽油等；B線為一種非牛頓流體，叫理想賓漢流體，如泥漿、血漿等；C也是一種非牛頓流體，叫做偽（假）塑性流體，如尼龍、橡膠的溶液、顏料、油漆等；D線叫做膨脹性流體，如生面團(tuán)、濃淀粉糊等。例1.一極薄的平板，在厚度分別為4cm的兩種油層中以的速度運(yùn)動(dòng)。已知上層動(dòng)力粘滯系數(shù)為下層動(dòng)力粘滯系數(shù)的2倍，兩油層在平版上產(chǎn)生的總切應(yīng)力為。求上下油層動(dòng)力粘滯系數(shù)。4cm4cm平板u（四）液體的壓縮性

壓縮性：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)稱為液體的壓縮性。用體積壓縮率k或體積模量K來描述液體的壓縮性。

為體積壓縮系數(shù)，單位為.

——稱為體積模量。單位Pa。

值越大，表示液體愈不容易壓縮。對(duì)一般水利工程來說，可認(rèn)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。氣體的壓縮性比液體的要大且與壓縮過程有關(guān)，需要具體問題具體分析。

σ表面張力是指自由液面單位長度上所受拉力的數(shù)值。表面張力是由于自由表面上液體分子所受兩側(cè)分子的引力不平衡，使自由面上液體分子受有極其微弱的拉力。表面張力僅在液體的自由表面存在(氣體不存在表面張力)，液體內(nèi)部并不存在。一般情況可忽略。但在測壓管測定液體壓力的試驗(yàn)中表面張力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有明顯的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意消除。（五）表面張力將其視作一個(gè)沒有厚度的薄膜毛細(xì)管現(xiàn)象水的毛細(xì)升高：水銀的毛細(xì)降低：（六）汽化壓強(qiáng)

汽化壓強(qiáng)是指液體汽化和凝結(jié)達(dá)到平衡時(shí)液面的壓強(qiáng)。汽化壓強(qiáng)隨液體的種類和溫度的不同而改變。水利工程中的空化現(xiàn)象與液體的汽化壓強(qiáng)有關(guān)，需要注意。

綜上所述，液體的慣性、重力特性和粘滯性對(duì)液體運(yùn)動(dòng)有重要的影響，而液體的可壓縮性、表面張力和汽化壓強(qiáng)只有在特殊問題中才需要考慮，請(qǐng)注意區(qū)分。（七）理想液體的概念

在水力學(xué)中液體分為理想液體和實(shí)際液體。理想液體：就是把水看作絕對(duì)不可壓縮、不能膨脹、沒有粘滯性、沒有表面張力的連續(xù)介質(zhì)。有沒有考慮粘滯性：是理想液體和實(shí)際液體的最主要差別。四.作用在液體上的力

按物理性質(zhì)：重力、慣性力、彈性力、摩擦力、表面張力。按作用特點(diǎn)分：表面力和質(zhì)量力。（一）表面力

作用于液體的表面，其大小與受作用的表面面積成比例的力，稱為表面力。如摩擦力、水壓力、邊界對(duì)液體的反作用力。與作用面正交的力稱為壓應(yīng)力（壓強(qiáng)），與作用面平行的力稱為切應(yīng)力.

國際單位都是Pa，1Pa＝1N/m2.2.質(zhì)量力

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。單位質(zhì)量液體所受到的質(zhì)量力，稱為單位質(zhì)量力，用表示。

單位質(zhì)量力在三個(gè)坐標(biāo)軸的投影。經(jīng)典力學(xué)的基本原理：牛頓的三大定律、動(dòng)量定理、動(dòng)能定理。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。（一）理論分析五.水力學(xué)的研究方法1.原型觀測2.模型試驗(yàn)3.系統(tǒng)試驗(yàn)4.數(shù)值模擬（二）科學(xué)試驗(yàn)1.原型觀測在野外或水工建筑物現(xiàn)場，對(duì)水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測，收集第一手資料，為檢驗(yàn)理論分析成果或總結(jié)某些基本規(guī)律提供依據(jù)。2.模型試驗(yàn)當(dāng)實(shí)際水流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，而理論分析困難，無法解決實(shí)際工程的水力學(xué)問題時(shí)采用。指在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，以水力相似理論為指導(dǎo)，把實(shí)際工程縮小為模型，在模型上預(yù)演相應(yīng)的水流運(yùn)動(dòng)，得出模型水流的規(guī)律性，再把模型試驗(yàn)成果按照相似關(guān)系換算為原型的成果以滿足工程設(shè)計(jì)的需要.3.系統(tǒng)試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，小規(guī)模的造成某種水流運(yùn)動(dòng)，用已進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀測，從中找到規(guī)律。數(shù)理知識(shí)數(shù)據(jù)處理方法量綱分析方法4.數(shù)值模擬通過求解水流的運(yùn)動(dòng)方程來得到模擬區(qū)域內(nèi)任意時(shí)刻任意位置力和運(yùn)動(dòng)要素的值。先進(jìn)性：采用計(jì)算機(jī)、流體計(jì)算軟件等高新技術(shù)。經(jīng)濟(jì)性：可給定不同的邊界條件，進(jìn)行大量的模擬，給出足夠多的力和運(yùn)動(dòng)要素值以進(jìn)行分析。本章小結(jié)1.水力學(xué)的定義。

2．水力學(xué)的任務(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。

3．液體的基本特性：易流動(dòng)性、不易壓縮、均勻等向的連續(xù)介質(zhì)