水力学绪论课件

六、研究方法

理论方法 理论模型——普遍规律——数学求解

试验方法 观察与测量——分析处理——本质规律

数值方法 数学问题——求近似解
七、水力学发展简史
公元前250年古希腊的阿基米德（Archimides）撰 写的“论浮体”奠定了水静力学的基础。 此后千余年间，直到15世纪文艺复兴时期，流体力学没 有重大发展。 16世纪以后，流体力学较快发展，如达〃芬奇、伽利略、 E〃托里拆利、B〃帕斯卡、I〃牛顿等人用实验方法研究了静水 压力、大气压力、空口出流、压强传递和水的切应力等问题。 18-19世纪，流体力学沿着两条途径建立了液体运动的系统理 论，形成两门独立的学科。
适用条件： 只能适用于牛顿流体
在同一种液体中，μ或ν值均随温度和压力而异，但 随压力变化关系甚微，对温度变化较为敏感。对于 水，ν可按下列经验公式计算
0.01775 v 1 0.0337 0.000221 t 2
压缩性
液体受压后体积要缩小，压力撤除后也能 恢复原状，这种性质称为液体的压缩性或 弹性。 体积压缩系数 体积弹性系数
Fx X M
或
Y
Fy M
Fz Z M
十二、理想液体的概念 理想液体： 就是把水看作绝对不可压缩、不能膨胀、没有 粘滞性、没有表面张力的连续介质。
有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主
要差别。
十三、量纲和单位
量纲：表征各种物理量属性和类别的称为物理量的量纲（或称因次） 例如：长度─［L］、时间─ ［T］、质量─ ［M ］、 力─ ［F］ 基本量纲：相互独立，即其中的任意一个量纲都不能从其 它量纲中推导出来。如［L］、［T］、 ［M ］ 诱导量纲: 由基本量纲推导出来的，也称为导出量纲。 面积 A L

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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
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第一章 绪论
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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
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第一章 绪论
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第一章 绪论
Isaac Newton(1642-1727)
➢ Laws of motion
➢ Laws of viscosity of Newtonian fluid
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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）
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第一章 绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)

1 1 2
2
P
A
B P C
(2) 解析法:
大小: P=pcA,
pc—形心处压强 方向: 垂直指向受压平面
作用点:
I y =y + y A
C D C C
例3: 引水涵管进口高h=1m, 宽b=1m,
H1=5m， H2=2m, α=45°,矩形盖板 与坝铰接, 不计摩擦及盖板重，求提 升盖板所需力F。 F
主讲人：孙东坡教授
第一讲 绪论和水静力学
第一章: 绪论 （一）水力学的性质与任务 1.性质：水利水电工程专业 的技术基础课
2.任务：研究液体在静止与运 动状态下力学规律 及其工程应用 3.研究对象：以水为代表，反 映宏观运动特征的液 体
4.在水电工程中的应用： （1）确定水力荷载
F
4.在水电工程中的应用： （1）确定水力荷载
0.3m
6 0
p p p p
C
= p +g × 0.5 = p -g × 0.2 = p +g × 0.3 = p -g × 0.4 -g × 0.6
B
A
水
. m
水
p = p +g × 0.5-g ×0.2 +g × 0.3-g ×0.4-g × 0.6
B A 水 汞
油
汞
水
\p - p =g
A B
F
v
（2）确定过流能力
（3）分析水流流动形态
（4）水流能量的利用与消散
（5）特殊水力学问题
(二)液体的基本特征
1.易流动性：流动―连续的变形
2.连续介质：由质点组成的无空 隙连续体
(三)液体的主要物理性质
(1) 惯性 γ 水=9800N/m3 (2) 重力特性 (3) 粘滞性 (4) 可压缩性 (5) 表面张力特性和汽化压强

§4-1概述
§4-3沿程水头损失的 公式及影响因素
§4-5沿程水头损失系 数的试验研究
§4-2恒定均匀流的切 应力
§4-4层流、紊流及其 判别
§4-6紊流特征及紊流 内部结构
第四章液 流形态和 水头损失
§4-7谢才公式及谢才系数 §4-8边界层概念及其分离现象 §4-9局部水头损失 习题
06
第五章层流和紊流的水力特性
10
第九章明渠水流的两种流态及水跃
第九章明渠水流的两种流态及 水跃
§9-1明渠水流的流动状态
§9-2断面单位能量、临界水深、 临界底坡
§9-3明渠水流流态转换的局部水 力现象——水跌与水跃
§9-4水跃基本方程及水跃的水力 计算
习题
11
第十章明渠非均匀流
第十章明渠非均匀流
§10-1概述
1
§10-2棱柱形明渠水面曲
05 §6 - 1 1边界层理论 06 习 题
08 第七章有压管流
第七章有压管流
§7-1概述 §7-2短管的水力计算 §7-3长管的水力计算 §7-4有压管道非恒定流 简介 习题
09 第八章明渠均匀流
第八章明渠均匀流
§8-1概述 §8-2明渠均匀流的水力计算 §8-3明渠均匀流水力计算的其它 问题7恒定平面渗流的流网解法 习题
15
第十四章水力模型试验基本原理
第十四章水力模型 试验基本原理
§14-1概述 §14-2水力相似基本原理 §14-3量纲分析 §14-4水力模型试验的优缺点 习题
16
第十五章综合水力计算实例
第十五章综合水力 计算实例
§15-1水闸水力计算实例 §15-2拦河溢流坝水力计算实例 §15-3河岸溢洪道水力计算实例 §15-4有压隧洞水力计算实例

11 • 1876年雷诺发现了水流动的两种流态：层流和紊流。 • 1858年亥姆霍兹指出了理想水中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论， 并于1887年提出了脱体绕流理论。 • 十九世纪末，相似理论提出，实验和理论分析相结合。 • 1904年普朗特提出了边界层理论。
• 二十世纪六十年代以后，计算水力学得到了迅速的发展，水力学内涵也
A、粘性是流体的固有属性；
B、粘性是运动状态下，流体有抵抗剪切变形速率能力的量度； C、流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性；
D、流体的粘度随温度的升高而增大。
3、牛顿内摩擦定律
牛顿内摩擦定律： 液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变
形的速率成正比。即
31
du d dy dt
25
1、密度
密度（Density）：是指单位体积流体的质量。单位：kg/m3 。
lim M V 0 V
均质流体内部各点处的密度均相等：


V V
M V
水的密度常用值： =1000 kg/m3
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2、容重（重度） 容重（Specific Weight）：指单位体积流体的重量。单位： N/m3 。
4
目前，根据水力学在各个工程领域的应用，水力
学可分为以下三类：
水利类水力学：水工、水动、海洋等。 机械类水力学：机械、冶金、化工、水机等。 土木类水力学：市政、工民建、道桥、城市防洪等。
二、 水力学的发展历史
5
水力学的萌芽，是自距今约2200年以前西西里岛的希腊学者阿基米德写 的“论浮体”一文开始的。 他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。 水力学的主要发展是从牛顿时代开始的，1687年牛顿的名著《原理》 讨论水的阻力、波浪运动等内容，使水力学开始变为力学中的一个独立分支 。此后，水力学的发展主要经历了三个阶段： 1. 伯努里所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析方 法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，从而在此基础上形成了一 门属于数学的古典“水动力学”（或古典“水力学”）。

静水压强的特性
2、大小上：静止液体内部任意一点不同方向上静水压强的大
小相等。
z
px
•
1 2
dzdy
pn
•
S ABC
•
cos(n
x)
0
A
px pn
px
dz
pn
py
pz
•
1 2
dxdy
pn
•
S ABC
•
cos(n
z)
•
1 6
dxdydz
•
g
0
O dx dy
C
y
B
x
pz
二、水力学有何用？
认识自然： 利用改造自然： 环境工程专业后续课程的理论基础
水的粘滞性很小，水几乎不能承受拉力或剪力
Hale Waihona Puke 水 利 水 电 工 程我国水电资源已开发20%,预计开发到60%,发达 国家70-80%。
金沙江干流水电开发规划
金沙江干流分为上、中、下三段，共规划20个梯级， 总装机容量7274万kW。
牛顿内摩擦阻力
F= μA du/dy τ=F/A= μ du/dy
μ：动力粘滞系数； υ=μ/ρ：运动粘滞系数；
液体的分类：牛顿液体、非牛顿液体、理想液体
静止液体有无粘滞性？理想液体有无粘滞性？
注意事项
课程很紧凑，注意及时调整，及时解决疑难问题（课 堂、习题、实验）
课堂笔记-内容要比参考书少得多
B
P B
A
P
lim pA A0 A
D
C
A
A a
C
D
静水压强的单位：
P4
P5
P4
P5

举例：联合收获机的操纵系统，拖拉机的液压悬挂系统，汽车 转向及速度的调节，机床等。
第一章 绪论
第一章 绪论
1.3 简单液压系统示例
图1—1 机床工作台液压系统的工作原理图 1.油箱 2.滤油器 3.12.14.回油管 4.液压泵 5.弹簧 6.钢球 7.溢流 阀 8.压力支管 9.开停阀 10.压力管 11.开停手柄 13.节流阀 15.换 向阀 16.换向手柄
不论复杂或简单，一个完整的液压系统主要由4个部分组成。 1.液压泵：它供给液压系统压力油，将电动机或发动机输出 的机械能转变为油液的压力能，用这压力油推动整个液压系统工 作。 2.控制调节装置：如方向操纵阀、压力阀、节流阀等，通过 她们来调节液流的压力、方向和流量，以满足作业的各种要求和 维持系统正常工作。 3.液压执行器：液压执行器又叫液压机，包括液压缸和液压 马达，通过它又使液体的压力能转换成执行机构的机械能。 4.辅助装置：油箱、滤油器、压力表、加热器、冷却器、油 管、密封元件及其接头等 5.工作介质（视频工作油液）
2.动作快，可以快速启动和快速换向。因惯性小，不需要复杂的 离合器，单向阀们就可实现带载离合。
3.能在较大的范围内实现无级调速。机械也可以，但受限制，一 般为2-4；液压不受功率的限制，速比可达2000；电传动无机变速重 量很大，行走不能实现。
第一章 绪论
4.液压传动的机器运动平稳，在低速下也能稳定运转。而电 机在低转速时则不稳定；和机械传动相比，齿轮、齿条加工再好也 有冲击。因此在机床上大量应用，如磨床（加工精度要求高）
工作油液
第一章 绪论Leabharlann 液压系统的组成第一章 绪论
1.5 液压传动的优缺点
一）液压传动的优点：
1. 在尺寸小、重量轻的前提下可输出大的功率

模型试验
当实际水流运动复杂，而理论分析困 难，无法解决实际工程的水力学问题时采 用。
指在实验室内，以水力相似理论为指 导，把实际工程缩小为模型，在模型上预 演相应的水流运动，得出模型水流的规律 性，再把模型试验成果按照相似关系换算 为原型的成果以满足工程设计的需要。
系统试验
在实验室内，小规模的造成某种水 流运动，用已进行系统的实验观测，从 中找到规律。
水
力
学
的
主
要
任 务
3.分析水流流动的形态。譬如修建一栏 河坝形成水库，需要计算上游河道中水
面的壅水长度，从而计算淹没范围，这
些都需要掌握水流的运动规律。
4.水能利用和消能问题。
水 力
供水系统中
学 的水箱、水塔
的 主 要
都建的很高， 根据能量方程
任 将位能或压能
务 转化为动能。
当水流从泄水孔泄到下游时，由于具
液体中的一切物理量都可以视为空 间坐标和时间的连续函数，因此可采用 连续函数的分析方法。
长期的生产和科学实验证明：利 用连续介质假定所得出的有关液体运 动规律的基本理论与客观实际是十分 符合的。
§0.3 液体的主要物理性质
➢ 惯性、质量与密度 ➢ 万有引力特性、重力与容重 ➢ 粘滞性 ➢ 压缩性 ➢ 表面张力
du dy
称为流速梯度，
是单位面积上的内摩擦力（切应力）。
作层流运动的液体，相互邻近层间单位面积
上所作用的内摩擦力（或粘滞力），与流速梯 度成正比，同时与液体的性质有关。
d tan( d ) dudt
dy
du d
dy dt
d
dt
液体的粘滞切应力与剪切变形速度成正比。
粘度

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。
研究对象：液体及不可压缩气体。
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。
5．理想液体的概念：无粘性的液体。
6．作用在液体上的力：质量力和表面力。
（1）质量力：作用在液体内部每个质点上， 并且与液体质量成正比。
（2）表面力：作用在液体上，并且与表面积 成正比。
第1章 绪论
力
欢迎提问
学
➢ 如果您有任何问题，
讲
请毫不犹豫地提出 !
义
In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !
第1章 绪论
本章小结
1. 水力学的定义。 2．水力学的任务：研究以水为代表的机 械运动规律及其在工程中的应用。 3．液体的基本特性：易流动性、不易压 缩、均匀等向的连续介质。 4．液体的主要物理特征：惯性.重力特 性.均质液体的质量与密度.粘滞性.压缩性. 表面张力特性.和汽化压强。
第1章 绪论
其中粘滞性是本章的重点，掌握牛顿内摩 擦定律的物理意义，其适用条件是层流运动和 牛顿液体。
1.表面力 作用于液体的表面，其大小与受作用的表
面面积成比例的力，称为表面力。如摩擦力、 水压力、边界对液体的反作用力
第1章 绪论
第1章 绪论
2.质量力
质量力是作用在每个液体质点上其大小与 液体的质量成正比。如重力、惯性力。
单位质量液体所受到的质量力，称为单位 质量力，用 f 表示。 f F

流体分类：
牛顿流体——遵循牛顿内摩擦定律的流体
非牛顿流体——不遵循牛顿内摩擦定律的流体
理想流体——粘性为零的流体称为理想流体
压缩性：
概念：液体受压后体积缩小，同时其内部将产一 种企图恢复原状的内力（弹性力）与所受压力保 持平衡，撤销压力后，液体可立即恢复原状，这 种性质称为液体的压缩性或弹性。 压缩系数：衡量压缩性的大小
雷诺（O.Reynolds，1842－1912）。 英国力学家、物理学家和工程师。 1867年毕业于剑桥大学王后学院。 1868年出任曼彻斯特欧文学院的首 席工程学教授。1877年当选为皇家 学会会员。1888年获皇家勋章。
雷诺1895年在湍流中引入有关应力的概念。雷诺 一生著作很多，其中近70篇论文都有很深远的影 响。这些论文研究的内容包括力学、热力学、电 学、航空学、蒸汽机特性等。他的成果曾汇编成 《雷诺力学和物理学课题论文集》两卷。
1.1
水力学的研究内容与研究方法
水力学是研究液体机械运动规律及其实际应用 的一门科学, 研究的对象主要是水。 水力学与力学、物理学、数学是交叉学科，是 力学的一个分支。
基本概念：
液体（介质）——具有物理、力学性质。 机械运动——力的作用才能产生机械运动
（外力作用下的机械运动对微观运动的研究）
即不研究液体内部的分子运动。
理论分析计算 原型观测 研 究 方 法 科学试验 系统试验
模型试验
理论分析与试验并重
1.2
液体的主要物理性质
连续介质模型：
依据：液体由大量分子组成，可以认为液体是没 有空隙的，液体质点完全充满所占的空间。
概念：假设液体是一种充满其所占据空间毫无空 隙的连续体，即把液体作为连续介质看待。
作用：使液体中的一切物理量都可视为空间坐标 和时间的连续函数。