01、第1次课(第一章绪论、第二章泥沙的性质(几何性质、重力性质))
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第一章绪论表面力:又称面积力,是毗邻流体或其它物体,作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。
它的大小与作用面积成比例。
剪力、拉力、压力质量力:是指作用于隔离体内每一流体质点上的力,它的大小与质量成正比。
重力、惯性力流体的平衡或机械运动取决于:1.流体本身的物理性质(内因)2.作用在流体上的力(外因)流体的主要物理性质:密度:是指单位体积流体的质量。
单位:kg/m3 。
重度:指单位体积流体的重量。
单位: N/m3 。
流体的密度、重度均随压力和温度而变化。
流体的流动性:流体具有易流动性,不能维持自身的形状,即流体的形状就是容器的形状。
静止流体几乎不能抵抗任何微小的拉力和剪切力,仅能抵抗压力。
流体的粘滞性:即在运动的状态下,流体所产生的阻抗剪切变形的能力。
流体的流动性是受粘滞性制约的,流体的粘滞性越强,易流动性就越差。
任何一种流体都具有粘滞性。
牛顿通过著名的平板实验,说明了流体的粘滞性,提出了牛顿内摩擦定律。
τ=μ(du/dy)τ只与流体的性质有关,与接触面上的压力无关。
动力粘度μ:反映流体粘滞性大小的系数,单位:N•s/m2运动粘度ν:ν=μ/ρ第二章流体静力学流体静压强具有特性1.流体静压强既然是一个压应力,它的方向必然总是沿着作用面的内法线方向,即垂直于作用面,并指向作用面。
2.静止流体中任一点上流体静压强的大小与其作用面的方位无关,即同一点上各方向的静压强大小均相等。
静力学基本方程: P=Po+pgh等压面:压强相等的空间点构成的面绝对压强:以无气体分子存在的完全真空为基准起算的压强 Pabs相对压强:以当地大气压为基准起算的压强 PP=Pabs—Pa(当地大气压)真空度:绝对压强不足当地大气压的差值,即相对压强的负值 PvPv=Pa-Pabs= -P测压管水头:是单位重量液体具有的总势能基本问题:1、求流体内某点的压强值:p = p0 +γh;2、求压强差:p – p0 = γh ;3、求液位高:h = (p - p0)/γ平面上的净水总压力:潜没于液体中的任意形状平面的总静水压力P,大小等于受压面面积A与其形心点的静压强pc之积。
《机械原理》课程学习指南说明:为配合学生《机械原理》课程的学习,根据机电工程学院本科《机械原理》课程教学大纲的要求,对本课程基本情况、性质、任务、教材和多媒体课件的处理、学习参考书、考核要求及各章节重点、难点等均在本学习指南中做出了较详细的说明。
同时针对各章的不同要求,配备了一定数量的自测练习题,学生通过自测检查可以发现自身学习中存在的问题,有的放矢地进行学习。
一、课程基本情况、性质、研究对象和任务总学时:56学时,课堂教学:50学时,实验教学:6学时。
先修课:大学物理、高等数学、机械制图、理论力学、材料力学、计算机应用基础等。
《机械原理》是高等工业院校机械类专业普遍开设的一门重要技术基础课,在整个教学计划中,以主干课程的角色,起着承上启下的作用,具有十分重要的地位。
本课程主要研究机械系统的运动学和动力学分析及机械系统方案设计基本理论,包括各种机构的结构分析、运动分析和受力分析问题,常用机构的设计问题,机器动力学问题和机械运动系统设计的问题。
它的主要任务是:1)通过本课程的学习,使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能。
2)通过本课程的学习,使学生学会常用机构的分析和综合方法,培养学生的创新精神和机械系统运动方案创新设计的能力。
二、教材及多媒体课件说明1.教材:本课程教材选用由刘会英、杨志强、张明勤编著,机械工业出版社出版的新世纪高校机电工程规划教材《机械原理》。
本教材内容精炼、结构合理、理论性强,是“十一五”国家级规划教材。
由于计划学时有限,不可能在课堂上对教材所有内容一一进行详细讲解。
因此,学生应该抓住每章节的重点、难点,搞清分析问题、解决问题的基本思路,并注意寻找同类问题间的内存规律。
真正做到举一反三,将问题由“繁”变“易”,将课本由“厚”读“薄”。
2.多媒体课件:机械原理多媒体教学课件是本校机械基础学科组集体创作的,它综合了图、文、声、像、二维图形、三维动画等多种媒体手段,经科学、合理的重组、整合、加工,构筑了一种虚拟实际场景的教学氛围。
泥沙(Sediment)的特性泥沙几何特性细颗粒泥沙的物理化学特性电化学性质悬浮在水中的细颗粒泥沙表面会发生各种物理化学作用,物理化学作用的强弱与颗粒比表面积的大小有关。
比表面积:颗粒表面积与其体积之比。
间接反映了颗粒受到的物理化学作用与重力的相对大小。
双电层颗粒表面离子层及其周围的反离子层(吸附层及扩散层)构成颗粒的双电层,双电层外属中性水。
絮凝和分散现象分散的颗粒互相吸引,聚合成结构疏松、类似棉花团的较大团粒或团块(中间有很大的孔隙,包围密封了大量水分),称为絮团。
细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程叫做絮凝。
泥沙的重力特性泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量(或质量)与实有体积之比称为泥沙的容重(或密度)平均值平均值有效容重系数(有效密度系数)泥沙的干容重与干密度泥沙的干容重(或干密度)是指除水分后的沙样重量(或质量)与沙样体积之比。
泥沙的干容重与泥沙的容重不同,它的变化幅度较大,这是由于泥沙颗粒间空隙变化较大的缘故泥沙淤积深度愈深,其干容重愈大,变化范围愈小;反之,淤积深度愈浅,其干容重愈小,且变化幅度愈大。
泥沙的水下休止角在静水中的泥沙,由于摩擦力的作用,可以形成一定的倾斜面而不致塌落,此倾斜面的角度φ称为泥沙的水下远休止角,其正切函数即为泥沙的水下摩擦系数f。
泥沙的水力特性泥沙沉降的不同形式单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度,简称沉速(cm/s)沙粒雷诺数泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉,附近的水体几乎不发生紊乱现象,这时的绕流状态属于层流。
泥沙沿摆动的轨迹下沉;颗粒首部为层流,尾部为紊流,绕流属于过渡状态。
泥沙颗粒脱离铅垂线,沿螺旋形轨迹下沉,其周围的水体布满漩涡,这时的绕流状态属于紊流。
其他因素对沉速的影响泥沙的形状对沉速的影响对于几何平均粒径D相同的不同石块,形状越扁平,其阻力系数越大,沉速越小水质对沉速的影响含沙量对沉速的影响粗颗粒泥沙颗粒下沉时引起的向上水流。
Chap1 泥沙特性本章知识要点:泥沙粒径表达形式泥沙的组成与粒配曲线比表面积的意义双电层与结合水泥沙干容重及其影响因素泥沙沉速与层流、紊流、过渡区絮凝现象● 泥沙来源:①流域地表冲蚀而来;②从原河床上冲起的。
● 土壤侵蚀最严重的黄河中游的黄土高原永定河和西辽河流域,相当于地表每年普遍冲掉0.6毫米的厚度,加上人类活动,如盲目开垦等,含沙量很高的正是黄河中游的一些干支流,年均含沙量高达300公斤/m 2以上,而南部一些省份,年均含沙量不足1公斤/m 2。
§1-1 泥沙的几何特性一、泥沙的粒径● 泥沙的不同形状与它们在水流中的运动状态有关,较粗的沿河底推移前进,碰撞机会多,动量较大易磨损;反之不易磨损而保持棱角峥嵘的外貌。
为比较不同泥沙颗粒的形状、大小的异同,必须有某些指标对它们进行对比。
泥沙的形状的表达方式● 球度系数:(因为泥沙接近于球体,所以以球体作参照物)与沙粒等体积的球体的表面积与泥沙的实际表面积之比(与球接近的程度)。
研究表明,球度系数相等的两颗泥沙,在水中的流体动力特性大致相同。
由于球度系数难以测定(V 可用排水、称重法确定,但表面积难以测定),常用泥沙的长、中、短三个轴a, b, c ,按下式近似表示:Φ=1942年克来拜因提出)● 形状系数:ab c S P = 1、 等容粒径:泥沙颗粒的大小通常用泥沙颗粒直径来表示,泥沙颗粒形状不规则,难以确定泥沙的粒径,实际中采用等容粒径来表示。
即:与泥沙颗粒体积相等的球体直径。
(泥沙体积可用称重、排水等方法测出:W V g ρ=)——对比水力学中表面粗糙度的∆确定 136V d π⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中:V 为泥沙颗粒的体积。
2、算术平均粒径:用长、中、短轴(a 、b 、c )的算数平均值来表征泥沙粒径1()3d a b c =++3、几何平均粒径:d =当泥沙形状为椭球体时,等容粒径与几何平均粒径相同(V=лabc/6=лd 3/6)4、中轴长度:接近而偏大于几何平均粒径(较粗天然沙测量的结果)5、筛径:仅对于单颗的卵石、砾石等可以通过称重,再除以泥沙的重率,得到体积而后求其等容粒径,或直接量测其三轴长度,再求其平均值。
Chap 1 泥沙特性河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学几何特性 物理化学特性 重力特性 水力特性重点内容形状、大小、群体组合双电层、絮凝容重、干容重沉速级配河流动力学絮凝容重沉速各种大小颗粒所占比列泥沙的密实程度颗粒能堆成的最陡坡度河流动力学泥沙的几何特性河流动力学河流动力学一、泥沙的粒径• 表示泥沙大小– 粗颗粒泥沙♥ 等容粒径:(排水法) ♥ 算术平均值: ♥ 几何平均值:D=( )1 3 36 V 1/ 3 πD = (a + b + c) D = abc河流动力学石– 细颗粒泥沙♥ 筛析法 ♥ 水析法:如比重计法 ♥ φ-分级法,海洋部门常 用沙– 泥沙颗粒分级标准(水利 工程界)粘性沙图. 泥沙颗粒分级标准河流动力学因为定义、量测方法等均不尽相同, 在提及粒径时需说明其测量和计算方法河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学河流动力学二、沙样组成与粒配曲线1. 粒配曲线 2. 粒径尺度 3. 沙样的均匀程度级配曲线、累积频率曲线平均粒径分选系数河流动力学粒径尺度-需要选用一个合适的刻度方法来度量泥沙粒径石沙最大颗粒与最小颗 粒的粒径之比可达 上千万倍,颗粒重 量之比更可达百亿 亿亿倍以上。
粘性沙河流动力学无穷多的泥沙颗粒,粒径分布是怎样量出来的?Q: 筛析法不能得到某 个颗粒具体的粒径,有 什么用处?筛析法得到介于两个筛子(孔径分别是D1和和D2 )之间的颗粒重 量,即D1至D2这一范围内(粒径组:D1<D<D2 ,size group)的重量。
据此可以计算粒径的累积概率分布。
河流动力学各粒径组沙洋重量百分比就是该组沙洋重量除以总重量。
沙样总重 W =∑Wi各粒径组沙样重量各粒径组沙样平均粒径Wn Wn +1 d n −1dnDn = d n −1d n Dn +1 = d n d n +1d n +1河流动力学Wn 各粒径组重量百分比 = ∑Wi当相邻两个筛子的孔径无限接近时,则得到粒径的概率密度pp ( D)对于颗粒粒径分级 很细的情况(上下两筛的 孔径非常接近,筛子个 数很多),频率直方图可 以连成光滑曲线,成为 频率曲线(sizefrequency distribution curve),即粒径的概率密 度分布。
泥沙(Sediment)的特性泥沙几何特性细颗粒泥沙的物理化学特性电化学性质悬浮在水中的细颗粒泥沙表面会发生各种物理化学作用,物理化学作用的强弱与颗粒比表面积的大小有关。
比表面积:颗粒表面积与其体积之比。
间接反映了颗粒受到的物理化学作用与重力的相对大小。
双电层颗粒表面离子层及其周围的反离子层(吸附层及扩散层)构成颗粒的双电层,双电层外属中性水。
絮凝和分散现象分散的颗粒互相吸引,聚合成结构疏松、类似棉花团的较大团粒或团块(中间有很大的孔隙,包围密封了大量水分),称为絮团。
细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程叫做絮凝。
泥沙的重力特性泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量(或质量)与实有体积之比称为泥沙的容重(或密度)平均值平均值有效容重系数(有效密度系数)泥沙的干容重与干密度泥沙的干容重(或干密度)是指除水分后的沙样重量(或质量)与沙样体积之比。
泥沙的干容重与泥沙的容重不同,它的变化幅度较大,这是由于泥沙颗粒间空隙变化较大的缘故泥沙淤积深度愈深,其干容重愈大,变化范围愈小;反之,淤积深度愈浅,其干容重愈小,且变化幅度愈大。
泥沙的水下休止角在静水中的泥沙,由于摩擦力的作用,可以形成一定的倾斜面而不致塌落,此倾斜面的角度φ称为泥沙的水下远休止角,其正切函数即为泥沙的水下摩擦系数f。
泥沙的水力特性泥沙沉降的不同形式单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度,简称沉速(cm/s)沙粒雷诺数泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉,附近的水体几乎不发生紊乱现象,这时的绕流状态属于层流。
泥沙沿摆动的轨迹下沉;颗粒首部为层流,尾部为紊流,绕流属于过渡状态。
泥沙颗粒脱离铅垂线,沿螺旋形轨迹下沉,其周围的水体布满漩涡,这时的绕流状态属于紊流。
其他因素对沉速的影响泥沙的形状对沉速的影响对于几何平均粒径D相同的不同石块,形状越扁平,其阻力系数越大,沉速越小水质对沉速的影响含沙量对沉速的影响粗颗粒泥沙颗粒下沉时引起的向上水流。