水力学——绪论
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水力学 绪论
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
吴持恭版水力学-绪论-思考题答案
绪论
0.2 什么叫做粘滞性？粘滞性对液体运动起什么作用？
粘滞力对相对运动中较快的一层起阻碍作用，对较慢的一层起推动作用。
0.3 固体之间的磨擦力与液体之间的内磨擦力有何原则上的区别？何谓牛顿内
磨擦定律，该定律是否适用于任何液体？
固体的摩擦只在固体边界上产生，而液体质点之间的内摩擦力存在于整个液体内部和边界；而且其产生摩擦的物理本质也不同：前者是由电磁力引起的，后者是由粘滞力引起的。
牛顿内摩擦定律只适用于牛顿流体作层流运动的情况。
0.5为什么可以把液体当作“连续介质”？运用这个假设对研究液体运动规律有
何意义？
原因两点：1.水力学研究液体的宏观运动而不研究其微观运动；
2.分子间空隙的距离较研究的液流尺度极为微小。
1。
水力学第1章 绪论_2015
4. 研究方法
第 一 章 绪 论
理论、实验及数值模拟
理论分析 经典力学的基本原理： 牛顿的三大 定律 水流运动的基本方程式： 连续性方 程、能量方程、动量方程
2012年2月
25
25
水力学
实验分析
第 一 章 绪 论
1、原型观测 2、模型实验 3、系统实验
2012年2月
26
26
水力学
60
水力学
难?不难?
第 一 章 绪 论
2012年2月
61
61
水力学
水力学的学习方法
第 一 章 绪 论
2012年2月
62
62
水力学
课程的任务
第 一 章 绪 论
认识现象 理解概念 分析原理 解释现象 解决问题
2012年2月
63
63
水力学
学习内容
第 一 章 绪 论 水静力学 水动力学 应用
第 一 章 绪 论
55
水力学
学习内容
第一章 第 第二章 一 章 第三章 第四章 绪 论 第五章 第六章 第七章 第八章 绪论 水静力学 液体一元恒定总流基本原理 液流型态及水头损失
液体三元流动基本原理 有压管流 明渠均匀流 明渠非均匀流
59
水力学
第 一 章 绪 论
第九章 堰流及闸孔出流 第十章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 第十一章 渗流 第十二章 相似原理
75
水力学
第 一 章 绪 论
3、流动性
静止流体在切应力作用下，发生连续变形 的特性称为流动性。
4、粘性
（1）粘性 当液体处在运动状态时，若液体质点 之间存在着相对运动，则质点间要产生 内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称 为液体的粘滞性，此内摩擦力又称为粘 滞力。
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
• 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
第一章：水力学 绪论
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
26
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”）。
第一章 水力学绪论(完整版)
减小，密度增加，除去外力后能恢复原状的性质。
➢体积压缩系数
K
当温度保持不变，单位压强增 量引起的体积变化率
K V V
P
P
K dV V d
dp dp
单位：m2 / N
式中的负号表示压强增大体积缩小
第一章 绪论
➢体积弹性模量 E ： 压缩系数的倒数
工程上常用体积模 量衡量流体压缩性
第一章 绪论
1.5 水力学的研究方法
水力学是一门实践性很强的学科，它的理论都是生 产实践和实验研究的总结，并在解决实际工程问题过 程中经受检验、得到修正和进一步完善。
理论分析法
•无限微量法 •有限控制体法（平均值法）
实验研究法
数值计算法
第一章 绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)
The father of modern fluid mechanics
Vonkarman (1881-1963)
I.Taylor (1886-1975)
现代流体力 理论的奠基者
表面张力系数σ——液面上单位长度所受的拉 力，单位N/m。
第一章 绪论
1.4.5 汽化压强 •汽化压强是指液体汽化和凝结达到平衡时液面的压强。
•汽化压强随液体的种类和温度的不同而改变。
•实际应用中的空化现象与液体的汽化压强有关， 需要注意。
•液体的惯性、重力特性和粘滞性对液体运动有重要 的影响，而液体的可压缩性、表面张力和汽化压强 只有在特殊问题中才需要考虑，请注意区分。
第一章 绪论
Leonardo da Vinci（达芬奇） (1452-1519)
➢体积压缩系数
K
当温度保持不变，单位压强增 量引起的体积变化率
K V V
P
P
K dV V d
dp dp
单位：m2 / N
式中的负号表示压强增大体积缩小
第一章 绪论
➢体积弹性模量 E ： 压缩系数的倒数
工程上常用体积模 量衡量流体压缩性
第一章 绪论
1.5 水力学的研究方法
水力学是一门实践性很强的学科，它的理论都是生 产实践和实验研究的总结，并在解决实际工程问题过 程中经受检验、得到修正和进一步完善。
理论分析法
•无限微量法 •有限控制体法（平均值法）
实验研究法
数值计算法
第一章 绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)
The father of modern fluid mechanics
Vonkarman (1881-1963)
I.Taylor (1886-1975)
现代流体力 理论的奠基者
表面张力系数σ——液面上单位长度所受的拉 力，单位N/m。
第一章 绪论
1.4.5 汽化压强 •汽化压强是指液体汽化和凝结达到平衡时液面的压强。
•汽化压强随液体的种类和温度的不同而改变。
•实际应用中的空化现象与液体的汽化压强有关， 需要注意。
•液体的惯性、重力特性和粘滞性对液体运动有重要 的影响，而液体的可压缩性、表面张力和汽化压强 只有在特殊问题中才需要考虑，请注意区分。
第一章 绪论
Leonardo da Vinci（达芬奇） (1452-1519)
水力学(第一章绪论)long
1.1 水力学的定义、任务和发展简史
水力学的发展简史
——世界公认的最早的水力学的萌芽 ——世界公认的最早的水力学的萌芽
第一章 绪论
阿基米德 Archimedes 约公元前287 287～ 212） （约公元前287～前212）
在《论浮体》一文中首先提出了论述 液体平衡规律的定律； 确立了流体静力学的基本原理，给出 许多求几何图形重心，证明了浮力原 理，后称阿基米德的原理。 。
1.1 水力学的定义、任务和发展简史
水力学的发展简史 ——古代中国水力学的发展 ——古代中国水力学的发展 相传四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水； 大约在4000多年之前，我国的黄河流域洪水为患， 尧命鲧负责领导与组织治水工作。鲧采取"水来土挡" 的策略治水。鲧治水失败后由其独子 禹主持治水大 任。禹接受任务后，首先就带着尺、绳等测量工具到 全国 的主要山脉、河流作了一番周密的考察。他发 现龙门山口过于狭窄，难 以通过汛期洪水；他还发 现黄河淤积，流水不畅。于是他确立了一条与 他父 亲的"堵"相反的方针，叫作"疏"，就是疏通河道，拓 宽峡口，让洪水能更快的通过。 禹采用了“治水须顺水性，水性就下，导之入海。高 处凿通，低处疏导”的治水思想。
秦始皇元年（公元前246）韩国水工郑国主持 兴建郑国渠； 秦始皇二十八年(公元前219)修建的灵渠；灵 渠开凿于公元前218年（秦代）。横亘湘、桂 边境的南岭山势散乱，湘江、漓江上源在此 相距很近。兴安城附近分水岭为一列灵渠地 处桂林兴安县境内，是中国著名的古代水利 工程，也是世界上最古老的运河之一，它沟 通了湘江（长江水系）与漓江（珠江水系）， 为开发岭南起了重要作用。灵渠为秦始皇帝 时期所建，至今有二千二百多年的历史，其 设计之精巧，令人赞叹。 明朝张季训：“塞旁决以挽正流，以堤束水， 以水攻沙”,的治理黄河的措施。
水力学课件：第一章 绪 论
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
水力学绪论
•重点掌握：基本概念、基本方程、基本应用、基础流体力学 重点掌握：基本概念、基本方程、基本应用、 重点掌握 •对专门水力学、高等流体力学、计算流体力学本课程不作要求。 对专门水力学、高等流体力学、计算流体力学本课程不作要求。 对专门水力学 牛顿三定律（惯性定律、F=ma、作用力与反作用力） 牛顿三定律（惯性定律、 、作用力与反作用力
v d(mu) ∑F = dt
v v F =v a m
二、连续介质模型 连续介质模型 实质——分子间有间隙，分子随机运动导致物 理量不连续。
1cm3有3.34×1022个水分子， 分子的间距为3×10-8cm。 ∴ 从宏观角度认为， 水为连续介质。 ρ=ρ(x，y，z) u=u(x，y，z) p=p(x，y，z)
对象——流体[液体(水)]
任务——研究水的机械运动规律 及其在工程上的应用
。
机械运动——研究物体受力以后 与时间的关系。
规律：客观存在的 自然法则。
应用——解决工程实际问题。 如：水力荷载、过水能力、水流流动形态、水能利用 和水能消耗
水利类流体力学：水工、水动、海洋等（ 水利类流体力学：水工、水动、海洋等（也 称水力学） 称水力学） 应用流体力学 或工程流体力学 机械类流体力学：机械、冶金、化工、 机械类流体力学：机械、冶金、化工、水机等 土木类流体力学：市政、工民建、道桥、 土木类流体力学：市政、工民建、道桥、城市 防洪等
1.2.2 表面力
1、表面力：又称面积力（Surface Force） ，是毗邻流体或其 、表面力：又称面积力（ ） 它物体作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。 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 用面面积成正比。 用面面积成正比。 压力：垂直于作用面。 压力：垂直于作用面。 按作用方向可分为： 按作用方向可分为： 切力：平行于作用面。 切力：平行于作用面。
水 力 学 绪论
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
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❖ 压强增加 p后，体积减小V，体应变为V
V
❖
V
❖ V ——体积压缩系数 m2 / N
p
❖
K 1 p V
——体积弹性系数 N / m2
❖
V
❖ ❖
2对此、于，不水在可K压P不2缩.大1液的1体09条P模a件如型下为P，一水个的大压气缩压性时可，以忽VV 略 ，2010、00
，因 视为
常数，但水击一节除外。
力无关。 F du
F du
dy
dy
❖ —液体的动力粘滞系数 N.S / m2
பைடு நூலகம்
❖ 单位面积上的内摩擦力（层流）
❖ F du dy
——牛顿内摩擦定律。
❖ 3、关于的性质 ❖ （1） 的大小表示液体粘性的强弱；
❖ （2 ）不同的液体 不同；
❖ （3）温度是影响的主要因素；
❖
（4）运动粘滞系数
m2 /s
❖ 4、牛顿流体与非牛顿流体
❖
服从
du dy
者称牛顿流体，如：水、空气、乙醇等。否
则为非牛顿流体，如泥浆。
❖ 5、理想液体模型
❖ 为简化计算，对液体的粘性暂不考虑，认为 =0，从而
引出没有粘性的理想液体模型。
❖ 四、压缩性和不可压缩液体模型
❖ 1、压缩性：压强增高时，分子间的距离减小，液体宏观 体积减小，这种性质称为压缩性；温度升高，液体宏观 体积增大，为膨胀性；设压缩前体积为V，
❖ 二、质量力：作用在隔离体内每个液体微团上的力，其大小
❖ ❖
与为液F体，的则质单量位成质正量比力。若均质液体的质量为M，总质量力
f
F
M
F Fxi Fy j FZ k
f Xi Yj Zk
则
X Fx
M
Y Fy M
Z Fz M
只有重力时，X=0
Y=0
Z=-g
第一章 绪 论
•§1-1 水力学的任务和研究方法
一、任务：用实验和理论分析的方法来研究液体平衡和机械运动 的规律及其实际应用。
二、研究对象：以水为主的液体,扩展到其它液体水。
三、水力学在水利事业中的应用 ❖ 1>水流对建筑物的作用力； ❖ 2> 水工建筑物的过水能力； ❖ 3>水流型态及泄水建筑物的下游消能问题； ❖ 4>河渠水面线问题； ❖ 5>渗流问题；
6>高速水流中的掺气问题,气蚀、冲击波、水污染等问题。
❖ §1-2液体的主要物理性质 ❖ 一、液体的基本特征 ❖ 1、连续介质模型：认为液体是由相互间无间隙的连续质点
所组成的连续体，它的物理性质也是连续的。这样便于运 用数学工具进行微积分运算（连续场）。
❖ 2、质点（微团）：液体分子的集合。从几何上讲可以任意 小，但其中又包括足够多的液体分子（液体是由许许多多 液体质点组成的）。
❖ 3、液体的基本特征：容易流动的、不易压缩的连续介质。 ❖ 二、液体的主要物理性质 ❖ 1、密度：均质液体的密度是单位体积液体所具有的质量
kg / m3
❖ 2、重度：均质液体的重度是单位体积液体所具有的重量
N / m3
❖ 三、粘滞性和理想液体模型
❖ 粘滞性：液体具有抵抗剪切变形的能力，这种性质称粘滞 性。它仅针对于实际液体，理想液体不存在粘滞性。
❖ 1、粘滞力：当液体之间存在相对运动时，液体之间会产 生一种摩擦力阻碍液体的相对运动，这种力叫粘滞力（内 摩擦力）。它随相对运动的产生而产生，消失而消失。
❖ 2、牛顿内摩擦定律
❖ 牛顿通过实验发现
❖ （1）F与 dduy成正比；（2）F与液体的接触面积成正比；
❖ （3）F与液体的性质有关；（4）F与接触面上的法向应
❖ §1-3 作用于液体上的力
❖
表面力：摩擦力、表面张力、压强
❖ 作用于液体上的力 质量力：重力、惯性力等
❖ 一、表面力：作用于被研究的隔离体表面上的力。
❖ 在隔离体表面上取包含A点的微小面积，法向力P，切向 力T。
p lim P 0
lim T 0
N / m2 (Pa )
❖
在理想液体和静止液体中，只有p存在。