1、1水水 力力 学学21 1 绪论绪论l1.1 1.1 水力学的任务与发展概况水力学的任务与发展概况l1.2 1.2 液体的主要物理性质液体的主要物理性质l1.3 1.3 作用在液体上的力作用在液体上的力l1.4 1.4 水力学的研究方法水力学的研究方法3l1.1 1.1 水力学的任务与发展概况水力学的任务与发展概况l1.2 1.2 液体的主要物理性质液体的主要物理性质l1.3 1.3 作用在液体上的力作用在液体上的力l1.4 1.4 水力学的研究方法水力学的研究方法1 1 绪论绪论4水力学定义水力学定义研究研究 液体液体 平衡平衡 机械运动规律机械运动规律 应用应用 一门力学科学和技术基础课一
2、门力学科学和技术基础课对象对象内容内容课程性质课程性质所属科学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5l 本课程内容：本课程内容： 1 1 绪论绪论2 2 水静力学水静力学3 3 水动力学基础水动力学基础4 4 流动型态和水头损失流动型态和水头损失5 5 量纲分析和液流相似原理量纲分析和液流相似原理6 6 恒定管流恒定管流7 7 明渠恒定流动明渠恒定流动8 8 孔口出流、堰顶溢流和闸口出流孔口出流、堰顶溢流和闸口出流9 9 泄水建筑物下游的水流衔接与消能泄水建筑物下游的水流
3、衔接与消能10 10 有压管道和明渠非恒定流有压管道和明渠非恒定流11 11 渗流渗流理论基础理论基础基本应用基本应用6l水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题： 水力荷载水力荷载水体对水工建筑物的作用力水体对水工建筑物的作用力 当关闭闸门，水库蓄水时，当关闭闸门，水库蓄水时，为了计算闸门的强度、刚度、为了计算闸门的强度、刚度、校核大坝的稳定性，必须考校核大坝的稳定性，必须考虑上下游水体对大坝和闸门虑上下游水体对大坝和闸门的作用力。的作用力。7当渲泄洪水时，必须确当渲泄洪水时，必须确定校核大坝所能够通过定校核大坝所能够通过流量，以确保大坝安全流量，以确保大坝安全泄洪；或已知泄量
4、，确泄洪；或已知泄量，确定大坝的溢流宽度。定大坝的溢流宽度。 泄水建筑物的过流能力泄水建筑物的过流能力l水利工程中常见的水力学问题：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，由于大坝壅高水位，泄洪时，下泄的水流动能较大，会冲击河床，危及大坝的安全。因此，必须采取工程会冲击河床，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。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能的利用与消耗l水利工程中常见的水力学问题：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，对大坝建成后，水流会通过土壤、
5、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。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泄水建筑物的渗流问题l水利工程中常见的水力学问题：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，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。确定人工渠道的过流能力，如南水北调工程。 水流的流动形态水流的流动形态河渠水面曲线计算河渠水面曲线计算l水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题：11 例如：黄河上高含沙问题例如：黄河上高含沙问题 河流泥沙河流泥沙l水利工程中
6、常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题：12 水污染水污染l水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题：13水泵：叶片、转轮体型水泵：叶片、转轮体型水轮机：叶片、转轮体型水轮机：叶片、转轮体型蜗壳：蜗壳： 水力机械水力机械l水利工程中常见的水力学问题：水利工程中常见的水力学问题：14相传四千多年前（公元前相传四千多年前（公元前20702070，夏左右）大禹治水，夏左右）大禹治水春秋战国末期（公元前春秋战国末期（公元前221221前左右）都江堰，当时对堰流理论前左右）都江堰，当时对堰流理论有一定认识有一定认识秦始皇元年（公元前秦始皇元年（公元前246246）韩国水工郑国主持兴建
7、郑国渠，大）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。约与此同时，罗马人建成了大规模的供水管道系统。秦始皇二十八年秦始皇二十八年( (公元前公元前219)219)修建的灵渠，沟通长江水系和珠修建的灵渠，沟通长江水系和珠江水系的古运河江水系的古运河l 水力学发展简史水力学发展简史 古代中国水力学发展古代中国水力学发展15公元公元13631363年（元末）铜壶滴漏计算时间，当时已认识到孔口年（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。出流和上游水位间存在一定的关系。明朝张季训提出明朝张季训提出“塞旁决以挽正流，以堤束水，以水攻沙塞旁决
8、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和一定量的水流能携带一定量的泥沙规律有一定认识。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。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古代中国水力学发展l 水力学发展简史水力学发展简史 16 阿基米德阿基米德（ArchimedesArchimede
9、s，公元前，公元前28728721212） 古希腊学者古希腊学者阿基米德阿基米德在公元前在公元前250250年发表论文年发表论文论浮论浮体体，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体，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在流体中所受浮力的基本原理阿基米德原理阿基米德原理 ; ;列奥纳德列奥纳德. .达达. .芬奇芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452Leonardo.da.Vinci,145215191519）设计建造一小型水渠，系统研究物体的沉浮、孔口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、明渠中水流等问题出流、物体的运动
10、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以纯理论分析为基础的古典流体力学l 水力学发展简史水力学发展简史 17斯蒂文斯蒂文（S.Stevin,1548-1620S.Stevin,1548-1620）将用于研究固体平衡）将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上的凝结原理转用到流体上; ;16531653年，年，帕斯卡帕斯卡（B. PascalB. Pascal）建立了平衡液体中压）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进一步发展; ;16431643年，年，托里拆利托里拆利（E.Torricel
11、liE.Torricelli）提出了液体孔口）提出了液体孔口出流关系式出流关系式; ; 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学l 水力学发展简史水力学发展简史 1816861686年，年，牛顿牛顿（NewtonNewton）提出了关于液体内摩擦）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的假定和粘滞性的概念，建立液体的内摩擦定律; ;17381738年，年，伯努里伯努里（D.BernoulliD.Bernoulli）建立了理想液体运）建立了理想液体运动的能量方程伯努里方程动的能量方程伯努里方程; ;17751775年，年，欧拉欧拉（L.EulerL
12、.Euler）建立了理想液体的运动方）建立了理想液体的运动方程欧拉运动微分方程程欧拉运动微分方程; ; 以纯理论分析为基础的古典流体力学以纯理论分析为基础的古典流体力学l 水力学发展简史水力学发展简史 1918431843年，年，纳维纳维(L.M.H.Navier)(L.M.H.Navier)和和斯托克斯斯托克斯(G.G.Stokes)(G.G.Stokes)建建立了实际液体的运动方程纳维斯托克斯方程，奠定了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古典流体力学的理论基础，使它成为力学的一个分支; ;18561856年，年，达西达西(H.Dar
13、cy)(H.Darcy)建立了砂土渗流基本定律。首建立了砂土渗流基本定律。首先提出先提出: :通过试样的流量与试样横断面积及试样两端测压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。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以纯理论分析为基础的古典流体力学达西l 水力学发展简史水力学发展简史 2017691769年年 ，谢才谢才（A.ChezyA.Chezy）在一系列渠道水流实测资）在一系列渠道水流实测资料基础上料基础上, , 提出明渠均匀流流速与流量的经验公式谢提出明渠均匀流流速与流量的经验公式谢才公式，以后又有确定谢才
14、系数的曼宁公式、巴普洛才公式，以后又有确定谢才系数的曼宁公式、巴普洛甫斯基公式甫斯基公式; ;17321732年，年，毕托毕托(H.Pitot)(H.Pitot)发明了量测水流流速的毕托管发明了量测水流流速的毕托管; ; 1797 1797年年 ，文丘里文丘里（G.B VenturiG.B Venturi）创造了量测管道流）创造了量测管道流量的文丘里管。量的文丘里管。 求解各种实际水力学问题的经验方法求解各种实际水力学问题的经验方法l 水力学发展简史水力学发展简史 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
15、实验水力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 现代流体力学和现代水力学现代流体力学和现代水力学l 水力学发展简史水力学发展简史 2218831883年，年，雷诺雷诺(O.Reynolds)(O.Reynolds)通过试验发现了液通过试验发现了液流两种流态层流和紊流。流两种流态层流和紊流。18941894年，又提出了年，又提出了紊流的基本方程雷诺方程；紊流的基本方程雷诺方程；18911891年年 ，儒科夫斯基儒科夫斯基首先建
16、立了试验风洞。首先建立了试验风洞。19051905年，又提出了圆柱绕流的升力理论；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现代流体力学和现代水力学l 水力学发展简史水力学发展简史 2319041904年，年，普朗特普朗特(L.Prantl)(L.Prantl)观测分析了固体边界对液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、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。水力学研究历史上，具有划时代的意义。18911891年年 ，尼古拉
17、兹尼古拉兹（J.NikuradseJ.Nikuradse）德国学者分别对）德国学者分别对各种人工粗糙管道和明渠系统试验研究。各种人工粗糙管道和明渠系统试验研究。19381938年，年，蔡克士达蔡克士达进一步揭示了管道和渠道紊流阻进一步揭示了管道和渠道紊流阻力和水头损失规律。力和水头损失规律。 现代流体力学和现代水力学现代流体力学和现代水力学l 水力学发展简史水力学发展简史 24自上世纪自上世纪5050年代以来在科学技术的推动下，国内外对水力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究学中各个问题展开了广泛的研究 建国以后水力学的发展建国以后水力学的发展 紊流边界层理论紊
18、流边界层理论 水工水力学水工水力学 管道和明渠非恒定流管道和明渠非恒定流 渗流渗流 高速水流（高速水力学）高速水流（高速水力学） 波浪运动波浪运动 相似理论等领域相似理论等领域 取得了丰硕成果，丰富和发展了水力学的内容取得了丰硕成果，丰富和发展了水力学的内容l 水力学发展简史水力学发展简史 25各种量测的试验各种量测的试验 仪器，得到进一步发展，例如，激光，仪器，得到进一步发展，例如，激光，PIVPIV测速等技术。现在，测速等技术。现在， 水力学（工程流体力学）已水力学（工程流体力学）已成为一门理论、实验和计算相结合的学科。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
19、同时，又出现了一些新的水力学分支环境水力学环境水力学 随机水力学随机水力学 计算水力学计算水力学 建国以后水力学的发展建国以后水力学的发展l 水力学发展简史水力学发展简史 26l1.1 1.1 水力学的任务与发展概况水力学的任务与发展概况l1.2 1.2 液体的主要物理性质液体的主要物理性质l1.3 1.3 作用在液体上的力作用在液体上的力l1.4 1.4 水力学的研究方法水力学的研究方法1 1 绪论绪论271.2.1 1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念液体的基本特征及连续介质的概念 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性 1.2.5 1.2.5 液体的压缩性和膨胀性液体的压
20、缩性和膨胀性 1.2.6 1.2.6 液体的表面张力液体的表面张力1.2.2 1.2.2 液体的惯性、质量和密度液体的惯性、质量和密度 1.2.3 1.2.3 重力和重度重力和重度28 1.2.1 1.2.1 液体的基本特征和连续介质液体的基本特征和连续介质1 1、液体的基本特征、液体的基本特征自然界物质存在三种形自然界物质存在三种形式式 固体固体 液体液体气体气体 流体流体29 固体固体 液体液体气体气体 固定形状和体积内部存在拉力、压力和剪力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，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
21、形和流动；静止微弱剪力作用下，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：变形主要区别：压缩性主要区别：压缩性 1.2.1 1.2.1 液体的基本特征和连续介质液体的基本特征和连续介质1 1、液体的基本特征、液体的基本特征30 液体由分子组成，分子之间存在空隙，介质不连续，分液体由分子组成，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，约含中，约含3 310102222个分
22、子，相邻分子间距约个分子，相邻分子间距约3 310108 8cmcm。可见，。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。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的充满其所占据空间的连续介质 2 2、连续介质的概念、连续介质的概念3108cm 1.2.1 1.2.1 液体的基本特征和连续介质液体的基本特征和连续介质31 连续介质连续介质的概念由瑞士学者欧拉（的概念由瑞士学者欧拉（EulerEuler）17531753年首先建立，年首先建立，这
23、一假定在流体力学发展上起到了巨大作用。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法。连续函数。研究液体运动时，可利用连续函数分析方法。 质点质点大量分子组成的液体微团，是连续介质的最小单位。大量分子组成的液体微团，是连续介质的最小单位。 1.2.1 1.2.1 液体的基本特征和连续介质液体的基本特征和连续介质2 2、连续介质的概念、连续介质的概念3
24、2 单位单位量度物理量数值大小的标准量度物理量数值大小的标准 例如：长度单位（例如：长度单位（m），质量（），质量（kg），力（），力（N） 量纲量纲物理量的性质物理量的性质 国际单位制中的基本量纲：长度国际单位制中的基本量纲：长度L；时间；时间T；质量；质量M3 3、量纲和单位、量纲和单位 1.2.1 1.2.1 液体的基本特征和连续介质液体的基本特征和连续介质331.2.1 1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念液体的基本特征及连续介质的概念 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性 1.2.5 1.2.5 液体的压缩性和膨胀性液体的压缩性和膨胀性 1.2.6 1.2.6 液体
25、的表面张力液体的表面张力1.2.2 1.2.2 液体的惯性、质量和密度液体的惯性、质量和密度 1.2.3 1.2.3 重力和重度重力和重度34均质液体：均质液体：式中，式中，MM为液体的质量；为液体的质量；V V为的体积为的体积 对于非均质液体：对于非均质液体：式中，式中， MM为任意微元的液体质量；为任意微元的液体质量； V V 为任意微元的液体体积。为任意微元的液体体积。量纲：量纲：=ML-3，单位：单位：kgm-3 M VM , V 惯性惯性液体保持原有运动状态的性质液体保持原有运动状态的性质 质量质量惯性大小的量度惯性大小的量度 M (kg) 密度密度单位体积所包含的质量单位体积所包含
26、的质量 1.2.2 1.2.2 液体的惯性、质量和密度液体的惯性、质量和密度351.2.1 1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念液体的基本特征及连续介质的概念 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性 1.2.5 1.2.5 液体的压缩性和膨胀性液体的压缩性和膨胀性 1.2.6 1.2.6 液体的表面张力液体的表面张力1.2.2 1.2.2 液体的惯性、质量和密度液体的惯性、质量和密度 1.2.3 1.2.3 重量和重度重量和重度36 重量重量液体所受的地球引力（重力）液体所受的地球引力（重力）G G = Mg, 式中式中g 为加速度。为加速度。 1.2.3 1.2.3 重力和重
27、度重力和重度 重度重度单位体积液体的重量（容重）单位体积液体的重量（容重）均质液体：均质液体： 或：或：VG 则则: :量纲：量纲： FL-3,单位：单位：Nm-3 或或 kNm-3 不同液体重度不同，不同液体重度不同， f (p,t) ，随压强和温度的变化甚微，一，随压强和温度的变化甚微，一般工程上视为常数。般工程上视为常数。取一个标准大气压下的温度为取一个标准大气压下的温度为4蒸馏水计算，则蒸馏水计算，则 =1000kg/m3 ，= g 9800（Nm-3 ）9.8（kNm-3）。）。371.2.1 1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念液体的基本特征及连续介质的概念 1.2.4 1.
28、2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性 1.2.5 1.2.5 液体的压缩性和膨胀性液体的压缩性和膨胀性 1.2.6 1.2.6 液体的表面张力液体的表面张力1.2.2 1.2.2 液体的惯性、质量和密度液体的惯性、质量和密度 1.2.3 1.2.3 重力和重度重力和重度38从运动的液体中取出两个相邻的液层进行分析从运动的液体中取出两个相邻的液层进行分析uABABBAuABABuBA平板缝隙中的润滑油流动平板缝隙中的润滑油流动 两个相邻微元液层受力分析两个相邻微元液层受力分析静止静止状态下：液体不能承受切应力状态下：液体不能承受切应力运动运动状态下：液体具有抵抗剪切变形的能力状态下：液体具有抵抗剪切
29、变形的能力粘滞性粘滞性： 油、沥青、糖水、（水）油、沥青、糖水、（水） 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性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）或产生内摩擦力抵抗其相对运动（液体连续变形）或 液体在相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粘滞性，此内摩擦力称为此内摩擦力称为粘滞力粘滞力 。内摩擦力内摩擦力做功做功 能量能量损失损失1 1、粘滞性、粘滞性 因因： 液体质点（液层）间存在相对运动（快慢）液体
30、质点（液层）间存在相对运动（快慢） 果果：质点间（液层）间存在内摩擦力：质点间（液层）间存在内摩擦力 （1 1）方向方向 ：与该液层相对运动速度方向相反：与该液层相对运动速度方向相反 （2 2）大小大小 ：由牛顿内摩擦定律决定：由牛顿内摩擦定律决定 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性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。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：
31、试验成果写成表达式为：yudd 切应力切应力，（单位面积上的内摩擦力），（单位面积上的内摩擦力）2 2、牛顿内摩擦定律、牛顿内摩擦定律 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性41yud yuu+du2 2、牛顿内摩擦定律、牛顿内摩擦定律 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性 式中，式中，为液体的动力粘滞系数，为液体的动力粘滞系数，du/dy为流速梯度，为流速梯度，y 为垂为垂直于流速方向，直于流速方向，为切应力，方向与作用面平行与相对运动为切应力，方向与作用面平行与相对运动方向相反方向相反 。42yudd 2 2、牛顿内摩擦定律、牛顿内摩擦定律 1.2.4 1.2.4 液
32、体的粘滞性液体的粘滞性du/dydu/dy的进一步理解的进一步理解: : 剪切变形速度剪切变形速度43微元水体运动的示意图微元水体运动的示意图dudt u yd yd y d 证明证明: : 液体的流速梯度即为液体的剪切变形速度液体的流速梯度即为液体的剪切变形速度 故故: :yutdddd ytuddd)dtan(d 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性dudtu+du u yud yd y d 44ytu)tan(ddddd 故故: :yutdddd 相邻液层之间所产生的相邻液层之间所产生的切应力与剪切变形速度成正比切应力与剪切变形速度成正比tyudddd 所以所以, , 液体的
33、粘滞性可视为液体抵抗剪切变形的特性，剪切液体的粘滞性可视为液体抵抗剪切变形的特性，剪切变形越大，所产生内摩擦力越大，对相对运动液层抵抗越大。变形越大，所产生内摩擦力越大，对相对运动液层抵抗越大。 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性45牛顿内摩擦定律分析：牛顿内摩擦定律分析： 1. 动力粘度动力粘度（动力粘滞系数）（动力粘滞系数） 反映了粘性的强弱，与液体反映了粘性的强弱，与液体种类有关。种类有关。量纲：量纲：MT-1L-1，单位：，单位： Nsm-2 Pas， yudd /FdudyA dudy2.运动粘度运动粘度（运动粘滞系数）（运动粘滞系数）量纲：量纲：L2T-1 ，单位：，
34、单位： m2 /s/ 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性46 同一种液体中，粘滞系数同一种液体中，粘滞系数( ) = f (p,t) = 随压力和温度随压力和温度变化，但是随压力变化甚微，对温度变化较为敏感。变化，但是随压力变化甚微，对温度变化较为敏感。牛顿内摩擦定律分析：牛顿内摩擦定律分析： yudd 对于水，可采用下列经验公式：对于水，可采用下列经验公式： 20002210033701017750t.t. 式中，式中，t()水温度，水温度，（cm2/s) 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性47 水和空气的运动粘滞系数随温度的变化曲线水和空气的运动粘滞系数随温度的
35、变化曲线 可见：对于水（液体）随温度上升而减少，对于空可见：对于水（液体）随温度上升而减少，对于空气其随温度上升增大。原因在于两者分子结构不同。气其随温度上升增大。原因在于两者分子结构不同。 牛顿内摩擦定律分析：牛顿内摩擦定律分析： yudd 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性00.511.522.5050100空气水T (oC) (10-5m2/s)48 液体的分子间距比气体的分子间距要小，相互间吸引力起液体的分子间距比气体的分子间距要小，相互间吸引力起主要作用，当温度升高时，间距增大，吸引力减小，因此同主要作用，当温度升高时，间距增大，吸引力减小，因此同样剪切变形速率所发生的
36、切应力随之减小。样剪切变形速率所发生的切应力随之减小。 气体的分子间距较大，吸引力影响很小，根据气体分子运气体的分子间距较大，吸引力影响很小，根据气体分子运动理论，分子的动量交换频率因温度升高而加剧，切应力随动理论，分子的动量交换频率因温度升高而加剧，切应力随之增加。之增加。 牛顿内摩擦定律分析：牛顿内摩擦定律分析： yudd 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性493. 3.粘滞性对流动的粘滞性对流动的影响影响 形成流速不均匀分布形成流速不均匀分布 产生内摩擦力产生内摩擦力 内摩擦力是阻力，耗能内摩擦力是阻力，耗能牛顿内摩擦定律分析：牛顿内摩擦定律分析： yudd 4. 4.牛顿
37、内摩擦定律的牛顿内摩擦定律的适用条件适用条件 液体做层流运动液体做层流运动 牛顿流体牛顿流体 ( (图示见下页图示见下页) ) 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性50 适用条件适用条件：牛顿流体（牛顿流体（Newtonian fluid） 牛顿流体的适用条件牛顿流体的适用条件 du/dy1牛顿流体牛顿流体0理想宾汉流体理想宾汉流体 泥浆，血液等泥浆，血液等伪塑性流体伪塑性流体 尼龙，橡胶的溶液尼龙，橡胶的溶液膨胀性流体膨胀性流体生面团，浓淀粉等生面团，浓淀粉等dduy515. 5.理想液体理想液体和实际液体和实际液体 理想液体理想液体无粘性的液体，并不存在无粘性的液体，并不存在
38、研究理想液体的目的：研究理想液体的目的： 简化理论分析过程简化理论分析过程 近似应用于粘度很小的实际液体近似应用于粘度很小的实际液体牛顿内摩擦定律分析：牛顿内摩擦定律分析： yudd 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性6. 6.静止液体静止液体，无质点相对运动，无粘性显示，无质点相对运动，无粘性显示52图图 牛顿流体的适用条件牛顿流体的适用条件 du/dy1牛顿流体牛顿流体0理想宾汉流体理想宾汉流体 泥浆，血液等泥浆，血液等伪塑性流体伪塑性流体 尼龙，橡胶的溶液尼龙，橡胶的溶液膨胀性流体膨胀性流体生面团，浓淀粉等生面团，浓淀粉等理想液体理想液体 适用条件适用条件：牛顿流体（牛顿流
39、体（Newtonian fluid） dduy531.2.1 1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念液体的基本特征及连续介质的概念 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性 1.2.5 1.2.5 液体的压缩性和膨胀性液体的压缩性和膨胀性 1.2.6 1.2.6 液体的表面张力液体的表面张力1.2.2 1.2.2 液体的惯性、质量和密度液体的惯性、质量和密度 1.2.3 1.2.3 重力和重度重力和重度541. 1.压缩性压缩性： 当液体承受压力后，体积要缩小，压力撤出后也能恢复原当液体承受压力后，体积要缩小，压力撤出后也能恢复原状，这种性质称为液体的弹性或压缩性。液体的压缩性大小
40、状，这种性质称为液体的弹性或压缩性。液体的压缩性大小用用体积压缩系数体积压缩系数或或弹性系数弹性系数表示。表示。 1.2.5 1.2.5 液体的压缩性和膨胀性液体的压缩性和膨胀性2. 2.体积压缩系数体积压缩系数： /ddVVppp+dpVV+dV图图: :液体体积的压缩示意液体体积的压缩示意 式中，式中， 为体积压缩系数，为体积压缩系数， 值越值越大，液体压缩性越大。大，液体压缩性越大。解释：解释：“”表示压强增大，体积缩小，体积增表示压强增大，体积缩小，体积增量量dV与压强增量与压强增量dp符号相反，为了保证符号相反，为了保证 是一个是一个非负数，前面冠以非负数，前面冠以“”。55 1 K
41、单位：单位：Pa，kPa 物理意义物理意义：K 越大，液体越不容易压缩，越大，液体越不容易压缩，K 表示液体绝表示液体绝 对不可压缩。对不可压缩。 3. 3.体积弹性系数体积弹性系数：液体是不可压缩液体是不可压缩 例如，在温度例如，在温度 t = 20，K2.10106 kPa即每增加一个大气压，水的体积相即每增加一个大气压，水的体积相对压缩量仅两万分之一。对压缩量仅两万分之一。特殊问题必须考虑液体压缩性特殊问题必须考虑液体压缩性例如，电站出现事故，突然关闭电站进水阀门，则进水管中压力突然升高，例如，电站出现事故，突然关闭电站进水阀门，则进水管中压力突然升高，液体受到压缩，液体受到压缩， 产生
42、的弹性力对运动的影响不能忽视。产生的弹性力对运动的影响不能忽视。注意 1.2.5 1.2.5 液体的压缩性和膨胀性液体的压缩性和膨胀性561.2.1 1.2.1 液体的基本特征及连续介质的概念液体的基本特征及连续介质的概念 1.2.4 1.2.4 液体的粘滞性液体的粘滞性 1.2.5 1.2.5 液体的压缩性和膨胀性液体的压缩性和膨胀性 1.2.6 1.2.6 液体的表面张力液体的表面张力1.2.2 1.2.2 液体的惯性、质量和密度液体的惯性、质量和密度 1.2.3 1.2.3 重力和重度重力和重度57 定义定义：自由面上液体分子受到的极其微小的拉力；：自由面上液体分子受到的极其微小的拉力；
43、 原因原因：自由表面上液体分子和两侧分子引力不平衡。：自由表面上液体分子和两侧分子引力不平衡。 表面张力不在液体的内部存在，只存在于液体表面表面张力不在液体的内部存在，只存在于液体表面 液体的表面张力较小，一般对液体的宏观运动不起作用可液体的表面张力较小，一般对液体的宏观运动不起作用可忽略不计。忽略不计。 某些情况下要考虑。例如，水滴雾化某些情况下要考虑。例如，水滴雾化 1.2.6 1.2.6 液体的表面张力液体的表面张力58由于表面张力作用，玻璃管中液面和与之连同的大容器中的液由于表面张力作用，玻璃管中液面和与之连同的大容器中的液 面不在同一水平面上，这种现象叫面不在同一水平面上，这种现象叫
44、毛细现象毛细现象。在实验室量测流体压强时，对测压管的内径有何要求？在实验室量测流体压强时，对测压管的内径有何要求？土地盐碱化现象的发生机理？土地盐碱化现象的发生机理？h水水水银水银4coshgd思考思考毛细现象毛细现象(capillarity)(capillarity)毛细现象毛细现象盛有液体的细玻璃管叫盛有液体的细玻璃管叫做做测压管测压管。 1.2.6 1.2.6 液体的表面张力液体的表面张力 TTTTh 59l1.1 1.1 水力学的任务与发展概况水力学的任务与发展概况l1.2 1.2 液体的主要物理性质液体的主要物理性质l1.3 1.3 作用在液体上的力作用在液体上的力l1.4 1.4
45、水力学的研究方法水力学的研究方法1 1 绪论绪论601.31.3 作用于液体上的力作用于液体上的力 按物理按物理性质性质分类：分类： 按力的按力的作用方式作用方式分类：分类：重力重力惯性力惯性力粘滞力粘滞力弹性力弹性力表面张力表面张力表面力表面力质量力质量力61 质量力质量力：作用于液体每一个质点上，其大小和液体的：作用于液体每一个质点上，其大小和液体的质量成正比，例如，重力、惯性力等。质量成正比，例如，重力、惯性力等。 在均质液体中，质量和体积是成正比的，所以，质量在均质液体中，质量和体积是成正比的，所以，质量力又称为力又称为体积力体积力。 质量力除用总作用力表示外，也常用质量力除用总作用力
46、表示外，也常用单位质量力单位质量力度量，度量，单位质量力是作用在单位质量液体上的质量力。单位质量力是作用在单位质量液体上的质量力。 1. 1.质量力质量力 若一质量为若一质量为M的均质液体，作用于其上的总质量力为的均质液体，作用于其上的总质量力为F，则，则单位质量力单位质量力 f 为为f = F/M = (Fx ,Fy,Fz)/ M62在三个坐标方向的投影为在三个坐标方向的投影为 xxyyzzFXfMFfYfMFZfM式中：式中：FX ，FY ，FZ 为总质量力在三个坐标方向的投影；为总质量力在三个坐标方向的投影； X， Y， Z 为单位质量力在三个坐标方向的投影，为单位质量力在三个坐标方向的
47、投影， 或或 称作称作 x，y，z 方向的单位质量力。方向的单位质量力。(fx, fy, fz) 1. 1.质量力质量力63例如例如 在重力作用下的液体在重力作用下的液体 X Y 0， Z -g； G=Mgxyz 1. 1.质量力质量力64 表面力表面力作用于液体表面，并与作用面的表面积成正比的作用于液体表面，并与作用面的表面积成正比的力为表面力。例如，压力，粘滞力等。力为表面力。例如，压力，粘滞力等。 表面力的大小可用总作用力表示，也常用单位面积上所表面力的大小可用总作用力表示，也常用单位面积上所受的表面力（即受的表面力（即应力应力）表示。）表示。若表面力和作用面垂直，此应力称为若表面力和作
48、用面垂直，此应力称为压应力压应力或或压强压强。若表面力和作用面平行，则此应力称为若表面力和作用面平行，则此应力称为切应力切应力。 2. 2.表面力表面力65l1.1 1.1 水力学的任务与发展概况水力学的任务与发展概况l1.2 1.2 液体的主要物理性质液体的主要物理性质l1.3 1.3 作用在液体上的力作用在液体上的力l1.4 1.4 水力学的研究方法水力学的研究方法1 1 绪论绪论66研究方法研究方法： 理论分析、数值计算和实验研究结合理论分析、数值计算和实验研究结合 理论分析理论分析 数值计算数值计算 实验研究实验研究 1.31.3 水力学的研究方法水力学的研究方法67 将普遍规律、公理
49、，如：将普遍规律、公理，如： 牛顿定律牛顿定律 能量守恒原理能量守恒原理 力系的平衡定律力系的平衡定律 动能定律动能定律 动量定律等动量定律等 用于液体分析中，建立液体微分方程、积分方程，优用于液体分析中，建立液体微分方程、积分方程，优 化方程，结合边界条件、限定条件求解。化方程，结合边界条件、限定条件求解。 理论分析理论分析 1.31.3 水力学的研究方法水力学的研究方法68利用计算机技术，数值利用计算机技术，数值求解描述液体运动的微求解描述液体运动的微分方程、积分方程等，分方程、积分方程等，得到问题的数值解。得到问题的数值解。 数值计算数值计算 1.31.3 水力学的研究方法水力学的研究方法69分为分为原型观测原型观测和和模型实验模型实验两类；两类；其成果是检验水力学理论的唯一标准其成果是检验水力学理论的唯一标准 实验研究实验研究 1.31.3 水力学的研究方法水力学的研究方法70课堂课堂作业作业实验实验本课程学习方法本课程学习方法： 71本章内容结束本章内容结束 作 业 1-1 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7
