水力學(xué)第一章

水力學(xué)授課人：牟曉蕾E-MAIL:xiaoleimou@126.com課程介紹流體力學(xué)

（fluidmechanics）

流體，即液體和氣體水力學(xué)

（hydraulics）

液體，主要是水本課程的目標：清晰的物理概念流體中力與運動的規(guī)律學(xué)習(xí)目的建筑施工供水流量，供水管道，供水壓力的確定，基坑排水量確定，地基基礎(chǔ)水荷載計算，水景景觀設(shè)計。水泵與水泵站，管網(wǎng)等課程的先修課程參考書：《流體力學(xué)及其工程應(yīng)用》Finnemore&Franzini(第10版)

機械出版社/清華大學(xué)出版社

《流體力學(xué)》（上、下冊）周光坰等高等教育出版社課堂講授（48學(xué)時）+實驗（8學(xué)時）考核：作業(yè)與課堂練習(xí)：30%

考試：70%緒論1.什么是流體力學(xué)？

力學(xué)：基礎(chǔ)和技術(shù)學(xué)科。研究對象：液體和氣體---流體。分子間距離分子間作用力保持一定形狀保持一定體積承受壓力承受拉力承受切力氣體大小不能不能壓縮變形不能流動變形液體中中不能能能承受一定的壓力不能(液面質(zhì)點有表面張力)流動變形固體小大能能能承受一定的壓力能承受一定的拉力能承受一定的切力2、流體的特點①不能承受拉力，靜止時不能承受剪切力。②具有易流動性，液體具有自由表面，有一定的體積，沒有一定的形狀，容易持續(xù)變形。（流動演示）

氣體沒有一定的體積，具有明顯的可壓縮性。3、流體力學(xué)主要內(nèi)容：流體力學(xué)是研究流體平衡和機械運動的規(guī)律及其在工程實際中的應(yīng)用的一門學(xué)科。流體力學(xué)海洋

土木工程航空航天交通運輸

環(huán)境

氣象

石油化工

機械冶金

生物與流體力學(xué)相關(guān)的工程領(lǐng)域和學(xué)科

轎車的外流場顯示圖車廂內(nèi)的空氣流場Newton聲速，牛頓粘性定律Bernoulli血壓，飛機，伯努利方程Euler歐拉方程D’Alembert

流體阻力Stokes無粘性→有粘性KelvinHelmholtz勢流→渦動力學(xué)Reynolds層流/湍流流體力學(xué)的發(fā)展簡介Prandtl

邊界層理論哥廷根學(xué)派VonKarman卡門渦街對數(shù)率區(qū)錢學(xué)森陸士嘉TaylorBatchelor劍橋?qū)W派繼續(xù)挑戰(zhàn)的領(lǐng)域：湍流，非線性聲學(xué)、水波和穩(wěn)定性，數(shù)值計算；新領(lǐng)域：地球流體動力學(xué)，磁流體力學(xué)，生物流體動力學(xué)；重要的經(jīng)典領(lǐng)域：低雷諾數(shù)流，懸浮流，薄膜流，液滴和氣泡全新的領(lǐng)域：復(fù)雜流體，地質(zhì)流體動力學(xué)，微納米現(xiàn)象；新的數(shù)學(xué)工具和測量手段連續(xù)介質(zhì)模型組成物體的分子是不連續(xù)的，彼此有空間。分子在不停的運動，分子間有相互作用力。液體在微觀結(jié)構(gòu)上說，是有空隙的不連續(xù)的物質(zhì)。大量分子“集體”所顯示的特性---宏觀特性或宏觀量。例如，我們研究海浪對防波堤上某點的作用力時，并不需要知道每個海水分子對該點的作用力。流體質(zhì)點：

將實際流體無限制的分割成為無限小的基元個體，相當于微小的分子集團，——流體的“質(zhì)點”。“宏觀小”：流體質(zhì)點足夠小，只占據(jù)一個空間幾何點，體積趨于零；“微觀大”：流體質(zhì)點是一個足夠大的分子團，包含了足夠多的流體分子，以至于對這些分子行為的統(tǒng)計是穩(wěn)定的，作為表征流體物理特性和運動要素的物理量定義在流體質(zhì)點上。流體是由一個緊挨著一個的流體質(zhì)點所組成，其中沒有任何空隙。這樣的連續(xù)體——“連續(xù)介質(zhì)”。流體的主要物理性質(zhì)慣性與質(zhì)量密度均質(zhì)流體：非均質(zhì)流體各點處的密度不同，任一點處的密度用極限式表示為：萬有引力、重量和容重非勻質(zhì)流體任一點處的容重為：在地球引力場中，密度與容重有以下關(guān)系：流體的重力特性用容量表示。單位體積流體所受引力為流體的容重，用符號表示。勻質(zhì)流體的容重為：設(shè)有兩平行平板，假設(shè)下板固定，上板在外力作用下以勻速

0向右運動。與兩板相接觸的流體由于附著力的作用必粘附于兩平板上，具有與平板相同的運動速度。因此與上平板相接觸的一層流體將以速度0隨上板一起向右運動，而緊貼下板的一層流體將和下板一樣靜止不動。介于兩板之間的各層流體將以自上而下逐層遞減的速度向右運動。流動較快的流體層帶動較慢的流體層，同時流動較慢的流體層又阻滯流動較快的流體層，從而在流體層之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力。粘滯性流體的粘滯性：

流體內(nèi)部質(zhì)點之間或流層之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對運動。粘滯力----內(nèi)摩擦力對流動的阻抗作用----流體分子間的作用力。

流體運動時的粘滯阻力，使流體的變形即流動緩慢下來。粘滯性在流體靜止時不顯示作用。

(動力粘性系數(shù))—Pa·s。

(運動粘性系數(shù))—m2/s。

=/

粘性系數(shù)的大小表征著流體粘滯性的強弱。

溫度是影響粘滯系數(shù)的主要因素。今后在談及粘性系數(shù)時一定指明當時的溫度。

水的動力粘滯系數(shù)隨溫度變化的泊肅葉經(jīng)驗公式：

（1）液體的粘性系數(shù)隨溫度升高而降低：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，隨溫度升高分子間距增大，相互作用力減少，所以粘度減少。比如不同溫度下的食用油。（2）氣體的粘性系數(shù)則隨溫度升高而增大：氣體分子間作用力影響極弱，但是溫度升高分子活性增強，碰撞幾率增大所以粘度反而增加。

理想流體

不考慮粘性作用的流體，即無粘性流體，稱為理想流體。

【例】已知：長度L=1m，直徑d=200mm水平放置的圓柱體，置于內(nèi)徑D=206mm的圓管中以u=1m/s的速度轉(zhuǎn)動，間隙中油液的相對密度為d=0.92，運動黏度ν=5.6×10-4m2/s。求：所需拉力F為多少？

解：間隙中油的密度為

動力黏度為(kg/m3)(Pa·s)由牛頓內(nèi)摩擦定律由于間隙很小，速度可認為是線性分布(N)壓縮性m2/NN/m2體積壓縮系數(shù)

體積彈性系數(shù)

(彈性模量)液體的壓縮性很小，即每增加一個大氣壓，水的體積比原體積縮小約0.005%，因此，一般情況下，可以將水作為不可壓縮液體來處理，但是對于水擊問題，必須要考慮液體的壓縮性與彈性。可壓縮流體與不可壓縮流體表面張力豉豆蟲和水黽可在水面上行走針和硬幣會浮在水面荷葉上的水滴成圓球狀內(nèi)聚力：是分子間的相互吸引力附著力：是指兩種不同物質(zhì)接觸部分的相互吸引力。表面張力：液體表面由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。表面張力系數(shù)

：是指自由液面上單位長度所受到的表面張力。 單位為N/m。表面張力一般存在于液體與另一種介質(zhì)相接觸的自由表面上，液體內(nèi)部不存在表面張力，它是一種局部受力現(xiàn)象毛細管現(xiàn)象作用于流體上的力一、表面力在靜止流體中只有壓強，沒有切應(yīng)力？

√二、質(zhì)量力

作用在隔離體內(nèi)每個流體質(zhì)點上的力，其大小