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第一章水力学绪论ppt课件

第一章水力学绪论ppt课件
的液体质量成比例的力。
• 单位质量力：作用在单位质量液体上的质量力。
fF M
X Fx ,Y Fy , Z Fz MMM
第四节 水力学的研究方法
1.理论分析（经典力学为基础） 2.科学试验 （1）原型观测 （2）模型试验 （3）系统实验 3.数值模拟和数值计算
1.理解连续介质和理想液体的概念。 2.掌握液体的基本特征和主要物理性质，特 别是液体的黏滞性和牛顿内摩擦定律及其应 用条件。 3.理解作用在液体上的两种力。
3）了解连续介质模型以及粘度随温度的变化规律。
第一节 课程概述 •水力学的学科性质
研究对象 力学问题载体
流体力学
流体
强调水是主要研究对象 比较偏重于工程应用
水力学
水
力学
宏观力学分支 遵循三大守恒原 理
力学
1.水力学的概念 水力学就是研究以水为代表的液体机械运动规
律及其在实际应用的科学。 水力学所研究的基本规律：两大主要组成部分，水 静力学和水动力学。
水静力学：关于液体平衡的规律，它研究液体处 于静止（或相对平衡）状态时，作用于液体上的各种 力之间的关系。
水动力学：关于液体运动的规律，它研究液体在 运动状态时，作用于液体上的力与运动要素之间的关 系，以及液体的运动特性与能量转换等等。
定义概括了三个涵义：
第一:水力学虽以水为研究对象，但其基本原理同 样适用于一般常见的液体和可以忽略压缩性影响的 气体。 第二:水力学的主要研究内容是在外力作用下，静 止与运动的规律，液体与边界的相互作用。 第三:水力学研究的目的在于应用。
流体运动的三大要素：流体、运动、力
水力学中研究的液体是一种易流动、不易压缩、 粘性很小、均质等向的连续介质。
2.水力学的任务及其在工程中的应用

水力学经典教学课件PPT(83张)

水力学经典教学课件PPT(83张)
水面激起一微小波动，波高h，波以速度vw从右向左
传播。观察微波传播： 波形所到之处将带动水流运 动，流速随时间变化，是非恒定流，但可化为恒定流。
vw
∆h
h
• 选动坐标随波峰运动，假想随波前进来观察渠 中水流相对于动坐标系 波静止渠中原静止水
体以波速vw从左向右流动，整个水体等速度
向右运动，水流为恒定流，水深沿程变化，是 非均匀流。
临
界
流

v c, 急 流

一般断面渠道静水中波速c为
c gA/B gh
• 将一块石子投入静水中，水面以投石点为中心 产生一系列同心圆，其以一定速度离开中心向
四周扩散
vw
vw’
• 将石子投入等速运动的水流中，则波传播速度 是水流流速与波速向量和。当水流流速小于波 速（v < vw）时，微波向下游传播的绝对速度 为（v + vw），向上游传播的绝对 v
vw+ v
• 当水流的流速等于波速（v= vw）时，微波向
下游传播的绝对速度是 2 vw。
2 vw
• 当水流流速大于波速（v > vw）时，微波只向 投石点下游传播，对上游的流动没有影响。
vw + v
• 一平底矩形断面水渠，水体静止，水深为h，水中有
一个直立的平板。用直立平板向左拨动一下，板左边
弗劳德（Froude）数的物理意义：
v
v2
Fr 2
gh 2gh
表示过水断面单位重量液体平均动能与平均 势能之比的二倍开平方，Fr愈大，意味着水 流的平均动能所占的比例愈大。
[Fr]

[惯性力] [重力]
表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关 系。急流时，惯性对水流起主导作用；缓流 时，重力对水流起主导作用。

水力学课件.ppt

水力学课件.ppt
水工建筑物的渗流问题 水工建筑物的过水能力问题
前进
水力学的主要研究课题：
作用于建筑物表面上静水总压力 在压管中的恒定流 明渠恒定流 堰流及闸孔出流 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 渗流
前进 返回
连续介质的假说
假设液体是一种连续充满其所占据空间的毫无空隙 的连续体。水力学所研究的液体运动是连续介质的连 续流动。 意义：使描述液体运动的一切物理量在空间和时间上 连续，故可利用连续函数的分析方法来研究液体运动。
A线为牛顿液体，当液体种类一定、温
B
度一定时，η=const ，切应力与剪切
τ
C
变形速度成正比
A B线是理想宾汉液体，如泥浆、血浆等
D C线是伪塑性流体，如尼龙、橡胶的溶液、
η 1
颜料、油漆等
O
du/dy D线膨胀性流体，如生面团、浓淀粉糊等
（4）液体的粘滞性是液体运动产生能量损失的主要根源 实际液体与理想液体的概念
单位质量力
若一质量为M的均质液体，作用于其上的总质量力为F，则所受的
单位质量力为
f ， F与加速度有一样的量纲[L/T2]
M
若总质量力F在空间坐标上的投影分别为Fx、Fy、Fz、，单位质量
力在相应坐标上的投影为fx、fy、fz，则有
X Fx ,Y Fy , Z Fz MMM
返回
具体说：是以数学、物理、理论力学为基础，采 用理论分析与实验研究的方法，研究液体平衡和机械 运动的规律及其实际应用。
水静力学 按液体的存在形式
水动力学
基本原理 按研究的内容
工程应用
前进 返回
实际工程中的水力学问题
前进
水对水工建筑物的作用力问题 水工建筑物的渗流问题

水力学课件 第一章 水静力学

水力学课件 第一章 水静力学

§1.1 静水压强及其特征
联立上面各式代入后得：
1 2
pxyz
1 2
pnyz
1 6
xyzf x
0
1 2
p y xz
1 2
pnxz
1 6
xyzf y
0
1 2
pz xy
1 2
pnxy
1 6
xyzf z
0
联立上面各式代入后得：
1 2
pxyz
1 2
pnyz
1 6
xyzf x
0
1 2
p y xz
1 2
pnxz
§1.4 等压面
一、等压面(Isobaric Surface)：在平衡的液体中， 由压强相等的各点所组成的面叫做等压面。 等压面的重要特性是： 1.在静止的或相对平衡的液体中，等压面同时也是
等势面(Isopotential Surface)。 dp dU
2.在相对平衡的液体中，等压面与质量力正交。
条件：只适用于静止、同种、连续液体
三、气体压强计算
p p0
§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡
z
gm h z
zs
o
x
以z轴为对称轴的旋转抛物面方程：
R
o
r
x
m
F
y 1 2rBiblioteka gz C 2§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡 平衡微分方程： dp ( fxdx f ydy fzdz) 质量力：离心惯性力和重力 F m 2r, mg 单位质量力： fx 2 x, f y 2 y, fz g 自由面上压强不变为大气压： dp 0
§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡
2、圆筒中液体内任一点静水压强分布规律：

水力学ppt课件

水力学ppt课件
染色线
在流体中注入染色剂，形成的染色 质点在流动过程中描绘出的曲线。 染色线可以直观地显示流动状况。
一维流动和二维流动特点分析
一维流动
流动参数仅沿一个坐标方向变化，其 他两个坐标方向上的变化可忽略不计 。一维流动具有简单的流动特性和明 确的数学描述。
二维流动
流动参数沿两个坐标方向变化，另一 个坐标方向上的变化可忽略不计。二 维流动比一维流动复杂，但仍可采用 适当的数学方法进行描述和分析。
经验总结
结合实例分析，总结泄水建筑物设计的经验和教训，提出改进和优化 建议。
谢谢聆听
水力学ppt课件
目录
• 水力学基本概念与原理 • 流体静力学分析 • 流体动力学基础知识 • 管内流动与损失计算 • 明渠恒定均匀流与非均匀流分析 • 堰流、闸孔出流和泄水建筑物设计
原理
01 水力学基本概念与原理
水力学定义及研究对象
水力学的定义
研究液体在静止和运动状态下的 力学规律及其应用的科学。
非均匀流现象描述
在明渠中，若水流运动要素沿程发生变化，则称为非均匀流。非均匀流可表现为水面波动、流速分布不均等现象 。
分类方法
根据非均匀流产生的原因和表现形式，可将其分为渐变流和急变流两类。渐变流是指水流要素沿程逐渐变化，而 急变流则是指水流要素在较短时间内发生显著变化。
明渠恒定非均匀流水面曲线变化规律探讨
03
特性比较
恒定流具有稳定的流动特性，便于分析和计算；非恒定 流的流动特性复杂多变，需要采用动态分析方法。
流线、迹线和染色线概念辨析
流线
在某一瞬时，流场中每一点都与 速度矢量相切的曲线。流线反映 了该瞬时流场中速度的分布状况
。
迹线
某一质点在流动过程中不同时刻所 在位置的连线。迹线反映了该质点 在流动过程中的运动轨迹。

第二章水静力学水力学PPT课件

第二章水静力学水力学PPT课件
《水力学》精品课程多媒体课件
第二章
1
《水力学》精品课程多媒体课件
§2-1 静水压强及特性
一、静水压强定义
lim
A0
P A
N/m2 (Pa) KN/m2 (KPa)
二、特性
1、垂直指向作用面
Ⅰ
N
N
Ⅱ
Ⅱ
2、任意点上各方向p相等
用牛顿第二定律证明
F=0
① 说明该性质的含义（结合图形）
2
《水力学》精品课程多媒体课件
则该点存在真空，又称“负
压”真空度：pv pa p'
理论上：pv pa 实际中达不到。
真空高度：h v
pv
16
《水力学》精品课程多媒体课件
理论上：hv=10m；实际上：hv=7~8m 举例：
讨论分布规律：
p 2r2
（2-13）式变形为
z （2-14）
r 2g
等压面方程： 2r 2 z c
2g
可见等压面为旋转抛物面，自由面亦为等压
面，其上p=0。自由液面方程：
12
2r2
z
（2-15）
2g
《水力学》精品课程多媒体课件
由（2-15）式可知： 2 r 2
2g
表示A点处自由面高出x0y平面的
dpd(g)
积分得：
pzc（2-10）
d(z p) 0
积分得 :zp c
说明：在重力作用下，均质不可压缩液体中，各点的
(z p ) 值相等。
在自由面上：
zz0;pp0;cz0p0 9
pp0(z0 z)
pp0 h（2-11）
二、几种质量力同时作用
取坐标研究，液体相对于坐标及 处于平衡状态。属相对静止。

水力学PPT

水力学PPT
第1章 绪论
• 1.1 水力学的任务 • 水力学是用实验和理论分析的方法研究以 水为代表的液体的平衡和机械运动规律及 其在工程中应用的一门学科。 • 本课程的主要内容包括三大部分：(1)水静 力学，研究液体平衡的规律，即液体处于 静止状态时，作用于液体上各种力之间的
关系；(2)水动力学，研究液体处于运动状 态时，作用于液体上的力与各运动要素(例 如速度、加速度等等)之间的关系，液体的 运动特性以及能量转换规律等； (3)土建工 程中的水力计算问题，例如管流、明渠流、 堰流以及地下水的水力计算问题等。 • 1.2 液体的连续介质模型 • 液体是由大量的不断作无规则热运动的分 子所组成，从微观的角度看，分子之间的 空隙随机地变化，并且，其尺度远大于分
体受压时，宏观体积减小，密度增大，去 掉压力则能消除变形而恢复原有体积和密 度，这种性质称为液体的压缩性。当温度 升高时，液体体积增大，这称为液体的膨 胀性。 • 液体的压缩性以体积压缩系数β度量。
• 忽略其压缩性的液体称为不可压缩液体， 这又是一种简化分析模型，称为“不可压 缩液体模型”。 • (5)表面张力与表面张力系数
图1.5
第2章 水静力学
• 水静力学研究液体处 于静止状态下的平衡 规律及其在工程中的 实际应用。其主要任 务是探讨静止液体压 强分布规律、液体测 压计原理、并根据诸 作用力的平衡关系
图2.1
研究各种固体边壁上静水总压力的计算 方法。
• 2.1 静水压强特性
• 静水压强有两个特性：一是它的方向与作 用面的内法线方向一致，即，静水压强总 是垂直指向受压面的；二是在静止液体中 任何一点处沿各个方向的静水压强的大小 都相等，与作用面的方位无关。 • 2.2 液体的平衡微分方程及其积分
• 满足式 (2.3) 的函数 W(x ， y ， z) 称为力的势 函数，具有势函数的质量力称为有势力。 • (3)等压面 • 在静止的同种液体中，压强相等的各点所 组成的面 ( 平面或曲面 ) 称为等压面，例如

水力学全套课件

水力学全套课件

明渠流动状态及判别标准
流动状态
明渠流动根据弗劳德数$Fr$的大小，可分 为缓流、临界流和急流三种状态。
VS
判别标准
当$Fr < 1$时，为缓流状态；当$Fr = 1$ 时，为临界流状态；当$Fr > 1$时，为急 流状态。其中，$Fr = frac{V}{sqrt{g times h}}$，$g$为重力加速度，$h$为水 深。
重力作用下液体平衡的应用 用于求解液体内部任一点的压强、等压面的形状等问题。
液体的相对平衡
液体的相对平衡的概念
当液体内部某点的压强发生变化时，其周围各点的压强也会相应 变化，但液体仍能保持平衡状态。
液体相对平衡的原理
基于帕斯卡原理，即密闭容器内液体任一点的压强变化将等值地传 递到液体各点。
液体相对平衡的应用
注意事项
需考虑管道阻力、水泵扬程和节点流量等因素对网络水力 计算的影响。同时，对于大型复杂的网络系统，可能需要 借助专业的水力计算软件进行求解。
06
明渠恒定流
明渠流动的特点与分类
特点
明渠流动是液体在重力作用下，具有自由表面的流动；流动过程中，液体质点不断 与空气接触并交换能量。
分类
根据流动状态，明渠流动可分为均匀流和非均匀流；根据水力要素是否随时间变化， 可分为恒定流和非恒定流。
用于解释和计算液体内部压强的变化、传递等问题。
液体作用在平面上的总压力
液体作用在平面上的总压力的概念
液体作用在某一平面上的合力称为总压力。
总压力的计算方法
通过求解液体对平面的压强分布积分得到总压力。
总压力的应用
用于计算液体对容器壁、闸门等结构的作用力。
液体作用在曲面上的总压力
01

水力学课件

水力学课件

03
智能化与自动化技术
智能传感器、机器学习、自动化监测等技术的应用，提高了水力学研究
的效率和精度，为水资源管理和防洪减灾提供了有力支持。
水资源短缺与水灾害问题
水资源短缺
随着全球人口的增长和经济的发展，水资源的需求日益增加 ，而可利用的水资源却日益匮乏，这给人类社会的发展带来 了严峻的挑战。
水灾害
自然灾害中，洪水、暴雨等水灾害频繁发生，给人类生命财 产安全带来了严重威胁，如何有效防范和应对水灾害是当前 亟待解决的问题。
水力学课件
• 水力学基础知识 • 水力学的基本原理 • 水力学的研究方法 • 水工建筑物的水力学 • 水污染与防治 • 水力学的发展趋势与挑战
01
水力学基础知识
水力学的发展史
01
02
03
古代水力学
古代文明中对水的利用和 认识，如灌溉、水利工程 、船舶航行等。
近代水力学
19世纪末至20世纪初，水 力学作为一门独立的学科 ，研究内容偏向于水流的 基本规律和工程应用。
水污染的来源
水污染的来源主要包括工业废水 、生活污水、农业污水、固体弃
废物渗滤液等。
水污染的危害
水污染可导致饮用水水质恶化， 引发传染病暴发，破坏水生生态 系统，影响渔业和农业产量等问
题。
水污染防治技术
污水处理技术
包括物理处理、化学处理、生物处理等。
污废水回用技术
包括膜分离技术、逆渗透技术、离子交换技术等 。
现代水力学
20世纪中期至今，水力学 研究领域不断扩展，包括 水流的动力学、水环境、 水生态等方面。
水的性质与运动形态
水的物理性质
包括密度、粘度、表面张力等， 影响水的运动和相互作用。
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2020/4/5
16
第一章 绪论
1.3 作用在液体上的力
1.3.1 表面力定义
表面力是作用于液体的表面上的力，是相邻液体 或其他物体作用的结果，通过相互接触面传递。
表面力按作用方向可分为： 压力： 垂直于作用面。 切力： 平行于作用面
lim p
P
A0 A
lim
T
A0 A
2020/4/5
17
第一章 绪论
2020/4/5
1
第一章 绪论
第1章 绪 论 第2章 水静力学 第3章 液体运动学 第4章 水动力学基础 第5章 流动阻力和水头损失 第6章 量纲分析与相似原理 第7章 孔口、管嘴出流和有压管流 第8章 明渠均匀流 第9章 明渠非均匀流 第10章 堰流及闸孔出流 第11章 渗流
2020/4/5
2
第一章 绪论
11
第一章 绪论
Isaac Newton(1642-1727)
➢ Laws of motion
➢ Laws of viscosity of Newtonian fluid
2020/4/5
12
第一章 绪论
19th century
Navier (1785-1836) & Stokes (1819-1905)
N-S equation
viscous flow solution
Reynolds (1842-1912) 发现紊流（Turbulence） 提出雷诺数（ReynoldsNumber）
2020/4/5
13
第一章 绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)
本次课堂主要内容：
✓水力学的任务 ✓实际工程中的水力学问题 ✓连续介质的假说 ✓液体的主要物理性质 ✓作用于液体上的力
2020/4/5
3
第一章 绪论
•红石嘴取水枢纽
2020/4/5
4
2020/4/5
5
2020/4/5
6
某污水处理厂
2020/4/5
7
第一章 绪论
1.1 水力学的任务及其发展概况
城市防洪工程 如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过流能 力等。
2020/4/5
8
第一章 绪论
水力学的应用
采矿 水力发电
水利工程建筑
农田水利
机电排灌
港口工程
给排水
水力学
水资源
河道整治
冶金
土木
环境保护 化工 石油 机械
2020/4/5
9
第一章 绪论
（2）、水力学发展概况
Archimedes(285-212 BC)
（1）、水力学的任务
水力学的主要任务是研究液体（主要是水）的平 衡和机械运动规律及其实际应用。
现代水力学已被广泛地应用于水利、给排水、 土建、环境、交通、机械、化工、采矿、冶金等各 个工程领域，为工程设计和运行管理提供科学依据。
市政工程 如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、 泵站和水塔的 设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，无论取水、水处理、 输配水都是在水流动过程中实现的。流体力学理论是给水排水系统 设计和运行控制的理论基础。
The father of modern fluid mechanics
Vonkarman
2020/4/(51881-1963)
I.Taylor
(1886-1975)
现代流体力学 理论的奠基者
14
第一章 绪论
在我国，水利事业的历史十分悠久:
➢4000多年前的 “大禹治水”的故事——顺水之性，治 水须引导和疏通。
1. 粘性的概念及内摩擦力产生的原因
粘滞性:由分子间的相互吸引力和分子不规则 运动的动量交换产生的。
液体和气体的黏性随温度的变化不同
(1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成
温度 分子间距 分子吸引力 内摩擦力 粘度 (2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成
温度 分子热运动 动量交换 内摩擦力 粘度
则单位质量力在相应坐标的投影为 fx，f y ，fz ，
f
x
FX m
fy fz
Fy
m Fz m
即 f fxi fy j fzk
单位质量力的单位为 m s2，与加速度的单位相同。
2020/4/5
19
第一章 绪论
1.4 液体的主要物理性质
1.4.1 液体的密度
液体的密度:单位体积液体所含有的质量，用表示 表示。
石拱桥——拱背的4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄
洪水。 2020/4/5
15
第一章 绪论
1.2 液体的连续介质模型
连续性假定是指宏观上可以把液体看成是由无数个质点 组成的稠密无隙的连续介质。
在水力学中，质点是组成液体的最小基本元素，且质点 间不存在间隙。亦即液体质点在宏观上可视为只有质量而无 体积的“点”，而且充满其所占有的空间，因此，每个质点 在其运动空间就唯一地占据一个空间点，反之亦然。
➢秦朝在公元前256—公元前210年修建了我国历史上的三 大水利工程（都江堰、郑国渠、灵渠）——明渠水流、堰 流。
➢古代的计时工具“铜壶滴漏”——孔口出流。
➢清朝雍正年间，何梦瑶在《算迪》一书中提出流量 等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。
➢隋朝（公元587—610年）完成的南北大运河。
➢隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605—617年）的赵州
Parallelogram（平行四边形） law for
addition of vectors
Law of buoyancy（浮力）2020/4/5 Nhomakorabea10
第一章 绪论
Leonardo da Vinci（达芬奇） (1452-1519)
➢ 一维恒定流动连续性方程 ➢ 紊流（Turbulence）
2020/4/5
应力： 单位面积上的表面力，单位：N m2 或 Pa ；
压强：单位面积上的压力； 切应力：单位面积上的切力
1.3.2 质量力 质量力是作用在液体每一个质点上的力，其大
小与液体的质量成正比。
当液体是均质的，其质量为 m 总质量力为F
则单位质量力为 f F m
2020/4/5
18
第一章 绪论
当总质量力在坐标上的投影分别为 FX, Fy ， Fz，
均质液体的密度为 m
V
国际单位: Kg m3
非均质液体的密度为
式中 ——液体的密度
lim M
M ——液体的质量
V 0 V
V ——液体的体积
V 为液体中取包含Ax, y, z 点的微元体积
一个标准大气压下，温度为4℃，水密度为 1000 Kg m3
2020/4/5
20
第一章 绪论
1.4.2 粘性和理想液体