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1、1,水 力 学,2,1 绪论,1.1 水力学的任务与发展概况 1.2 液体的主要物理性质 1.3 作用在液体上的力 1.4 水力学的研究方法,3,1.1 水力学的任务与发展概况 1.2 液体的主要物理性质 1.3 作用在液体上的力 1.4 水力学的研究方法,1 绪论,4,水力学定义,研究 液体 平衡 机械运动规律 应用 一门力学科学和技术基础课,对象,内容,课程性质,所属科学性质,液体处于静止（相对静止）状态下，作用于液体上的各种作用力之间的关系,液体在运动状态时，作用于液体上的力与运动要素之间的关系，及运动的特征和能量转换,5,本课程内容：,1 绪论 2 水静力学 3 水动力学基础 4 流动
2、型态和水头损失 5 量纲分析和液流相似原理 6 恒定管流 7 明渠恒定流动 8 孔口出流、堰顶溢流和闸口出流 9 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 10 有压管道和明渠非恒定流 11 渗流,理论基础,基本应用,6,水利工程中常见的水力学问题：,水力荷载水体对水工建筑物的作用力,当关闭闸门，水库蓄水时，为了计算闸门的强度、刚度、校核大坝的稳定性，必须考虑上下游水体对大坝和闸门的作用力。,7,当渲泄洪水时，必须确定校核大坝所能够通过 流量，以确保大坝安全泄洪；或已知泄量，确定大坝的溢流宽度。,泄水建筑物的过流能力,水利工程中常见的水力学问题：,8,由于大坝壅高水位，泄洪时，下泄的水流动能较大，会冲击
3、河床，危及大坝的安全。因此，必须采取工程措施，消耗过大的动能，减轻对河床的冲刷。,水能的利用与消耗,水利工程中常见的水力学问题：,9,大坝建成后，水流会通过土壤、岩石中的缝隙形成渗流，对坝基产生作用力，同时产生渗透变形，会危及大坝的安全。,泄水建筑物的渗流问题,水利工程中常见的水力学问题：,10,分析天然河道的洪水水面线，确定防洪堤防高程，确定人工渠道的过流能力，如南水北调工程。,水流的流动形态河渠水面曲线计算,水利工程中常见的水力学问题：,11,例如：黄河上高含沙问题,河流泥沙,水利工程中常见的水力学问题：,12,水污染,水利工程中常见的水力学问题：,13,水泵：叶片、转轮体型 水轮机：叶片
4、、转轮体型 蜗壳：,水力机械,水利工程中常见的水力学问题：,14,相传四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水 春秋战国末期（公元前221前左右）都江堰，当时对堰流理论有一定认识 秦始皇元年（公元前246）韩国水工郑国主持兴建郑国渠，大约与此同时，罗马人建成了大规模的供水管道系统。 秦始皇二十八年(公元前219)修建的灵渠，沟通长江水系和珠江水系的古运河,水力学发展简史,古代中国水力学发展,15,公元1363年（元末）铜壶滴漏计算时间，当时已认识到孔口出流和上游水位间存在一定的关系。 明朝张季训提出“塞旁决以挽正流，以堤束水，以水攻沙”的治理黄河的措施。当时对流速与过水断面成反比的连续方程
5、和一定量的水流能携带一定量的泥沙规律有一定认识。 清朝初年，何梦瑶等人提出用过水断面面积乘以流速计算流量的方法。 古代劳动人民懂得用水流的冲力带动水车、水磨等水力机械。,古代中国水力学发展,水力学发展简史,16,阿基米德（Archimedes，公元前287212） 古希腊学者阿基米德在公元前250年发表论文论浮体，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理阿基米德原理 ; 列奥纳德.达.芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519）设计建造一小型水渠，系统研究物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力及管道、明渠中水流等问题;,以纯理论分析为基础的古典流体力学,水
6、力学发展简史,17,斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上; 1653年，帕斯卡（B. Pascal）建立了平衡液体中压强传递的规律巴斯卡定律，使水静力学理论得到进一步发展; 1643年，托里拆利（E.Torricelli）提出了液体孔口出流关系式;,以纯理论分析为基础的古典流体力学,水力学发展简史,18,1686年，牛顿（Newton）提出了关于液体内摩擦的假定和粘滞性的概念，建立液体的内摩擦定律; 1738年，伯努里（D.Bernoulli）建立了理想液体运动的能量方程伯努里方程; 1775年，欧拉（L.Euler）建立了理想液体的运动方程欧
7、拉运动微分方程;,以纯理论分析为基础的古典流体力学,水力学发展简史,19,1843年，纳维(L.M.H.Navier)和斯托克斯(G.G.Stokes)建立了实际液体的运动方程纳维斯托克斯方程，奠定了古典流体力学的理论基础，使它成为力学的一个分支; 1856年，达西(H.Darcy)建立了砂土渗流基本定律。首先提出:通过试样的流量与试样横断面积及试样两端测压管水头差成正比，与试样的高度成反比。,纳维,斯托克斯,以纯理论分析为基础的古典流体力学,达西,水力学发展简史,20,1769年 ，谢才（A.Chezy）在一系列渠道水流实测资料基础上, 提出明渠均匀流流速与流量的经验公式谢才公式，以后又有确
8、定谢才系数的曼宁公式、巴普洛甫斯基公式; 1732年，毕托(H.Pitot)发明了量测水流流速的毕托管; 1797年 ，文丘里（G.B Venturi）创造了量测管道流量的文丘里管。,求解各种实际水力学问题的经验方法,水力学发展简史,21,随着现代化工农业和新技术的迅速发展，以纯理论分析为基础的古典流体力学，实验为基础的实验水力学都不能满足生产发展要求，逐渐形成了以理论和试验研究结合的现代流体力学和现代水力学,现代流体力学和现代水力学,水力学发展简史,22,1883年，雷诺(O.Reynolds)通过试验发现了液流两种流态层流和紊流。1894年，又提出了紊流的基本方程雷诺方程； 1891年 ，
9、儒科夫斯基首先建立了试验风洞。1905年，又提出了圆柱绕流的升力理论；,现代流体力学和现代水力学,水力学发展简史,23,1904年，普朗特(L.Prantl)观测分析了固体边界对液流的影响，首先提出液流边界层概念，后来对层流边界层的研究，形成了边界层理论，在流体力学、水力学研究历史上，具有划时代的意义。 1891年 ，尼古拉兹（J.Nikuradse）德国学者分别对各种人工粗糙管道和明渠系统试验研究。 1938年，蔡克士达进一步揭示了管道和渠道紊流阻力和水头损失规律。,现代流体力学和现代水力学,水力学发展简史,24,自上世纪50年代以来在科学技术的推动下，国内外对水力学中各个问题展开了广泛的研
10、究,建国以后水力学的发展,紊流边界层理论 水工水力学 管道和明渠非恒定流 渗流,高速水流（高速水力学） 波浪运动 相似理论等领域,取得了丰硕成果，丰富和发展了水力学的内容,水力学发展简史,25,各种量测的试验 仪器，得到进一步发展，例如，激光，PIV测速等技术。现在， 水力学（工程流体力学）已成为一门理论、实验和计算相结合的学科。,同时，又出现了一些新的水力学分支 环境水力学 随机水力学 计算水力学,建国以后水力学的发展,水力学发展简史,26,1.1 水力学的任务与发展概况 1.2 液体的主要物理性质 1.3 作用在液体上的力 1.4 水力学的研究方法,1 绪论,27,1.2.1 液体的基本特
11、征及连续介质的概念,1.2.4 液体的粘滞性,1.2.5 液体的压缩性和膨胀性,1.2.6 液体的表面张力,1.2.2 液体的惯性、质量和密度,1.2.3 重力和重度,28,1.2.1 液体的基本特征和连续介质,1、液体的基本特征,自然界物质存在三种形式,固体,液体,气体,流体,29,固体,液体,气体,固定形状和体积内部存在拉力、压力和剪力,不能保持固定形状，压缩性小，不能承受拉力，微弱剪力作用下，流体发生变形和流动；静止状态下，液体不能承受剪切力,不能保持固定的体积和形状可压缩和膨胀,主要区别：变形,主要区别：压缩性,1.2.1 液体的基本特征和连续介质,1、液体的基本特征,30,液体由分子
12、组成，分子之间存在空隙，介质不连续，分子间距相当微小。现代物理学指出，常温下，每立方厘米水中，约含31022个分子，相邻分子间距约3108cm。可见，分子间距相当微小，在很小体积中，包含难以计数的分子。 水力学中，把液体当作连续介质，假设液体是一种无间隙的充满其所占据空间的连续介质,2、连续介质的概念,1.2.1 液体的基本特征和连续介质,31,连续介质的概念由瑞士学者欧拉（Euler）1753年首先建立，这一假定在流体力学发展上起到了巨大作用。 如果液体视为连续介质，则液体中一切物理量（速度、压强和密度等）可视为空间（液体所占据空间）坐标和时间的连续函数。研究液体运动时，可利用连续函数分析方
13、法。 质点大量分子组成的液体微团，是连续介质的最小单位。,1.2.1 液体的基本特征和连续介质,2、连续介质的概念,32,单位量度物理量数值大小的标准 例如：长度单位（m），质量（kg），力（N） 量纲物理量的性质 国际单位制中的基本量纲：长度L；时间T；质量M,3、量纲和单位,1.2.1 液体的基本特征和连续介质,33,1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念,1.2.4 液体的粘滞性,1.2.5 液体的压缩性和膨胀性,1.2.6 液体的表面张力,1.2.2 液体的惯性、质量和密度,1.2.3 重力和重度,34,均质液体：,式中，M为液体的质量；V为的体积,对于非均质液体：,式中，M为任意
14、微元的液体质量； V 为任意微元的液体体积。,量纲：=ML-3，单位：kgm-3,M V,M , V,惯性液体保持原有运动状态的性质 质量惯性大小的量度 M (kg) 密度单位体积所包含的质量 ,1.2.2 液体的惯性、质量和密度,35,1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念,1.2.4 液体的粘滞性,1.2.5 液体的压缩性和膨胀性,1.2.6 液体的表面张力,1.2.2 液体的惯性、质量和密度,1.2.3 重量和重度,36,重量液体所受的地球引力（重力）G G = Mg, 式中g 为加速度。,1.2.3 重力和重度,重度单位体积液体的重量（容重）,均质液体：,或：,则:,量纲： FL-
15、3,单位：Nm-3 或 kNm-3,不同液体重度不同， f (p,t) ，随压强和温度的变化甚微，一般工程上视为常数。 取一个标准大气压下的温度为4蒸馏水计算，则 =1000kg/m3 ，= g 9800（Nm-3 ）9.8（kNm-3）。,37,1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念,1.2.4 液体的粘滞性,1.2.5 液体的压缩性和膨胀性,1.2.6 液体的表面张力,1.2.2 液体的惯性、质量和密度,1.2.3 重力和重度,38,从运动的液体中取出两个相邻的液层进行分析,A,B,平板缝隙中的润滑油流动,两个相邻微元液层受力分析,静止状态下：液体不能承受切应力 运动状态下：液体具有抵
16、抗剪切变形的能力 粘滞性： 油、沥青、糖水、（水）,1.2.4 液体的粘滞性,39,当液体质点（液层）间存在相对运动时液体质点（液层）间产生内摩擦力抵抗其相对运动（液体连续变形）或 液体在相对运动状态下抵抗剪切变形的能力，这种性质称液体粘滞性，此内摩擦力称为粘滞力 。,内摩擦力做功 能量损失,1、粘滞性,因： 液体质点（液层）间存在相对运动（快慢） 果：质点间（液层）间存在内摩擦力 （1）方向 ：与该液层相对运动速度方向相反 （2）大小 ：由牛顿内摩擦定律决定,1.2.4 液体的粘滞性,40,根据前人的科学实验研究，液层接触面上产生的内摩擦力（单位面积上）大小，与液层之间的流速差成正比，与两液层距离成反比，同时与液体的性质有关。试验成果写成表达式为：,切应力
