1、第一章 绪论水力学的定义水力学是研究液体平衡和机械运动规律及其应用的一门技术科学。水力学与流体力学、工程流体力学水力学的任务解决与水、流体相关的工程实际问题；水力学是一门重要的专业基础课程，它是连接前期基础课和后续专业课程的桥梁，为专业课程的学习打下坚实的基础。1.1 水力学的定义、任务和发展简史 此件滴漏是中国古代的计时工具，由广州人冼运行、杜子盛等铸造于元延祐三年（公元1316年）使用时，日壶的水以恒定的流量滴入下层的月壶，月壶之水滴入星壶，星壶上部有一个小洞，如果月壶滴下的水多了，多余的就会从这里流出，使星壶的水量保持恒定，以便均匀地滴水给受水壶。受水壶中的水逐渐增加，浮舟便托起木箭缓缓
2、上升。将木箭的顶端与铜表尺上的刻度对照，就可知道当时的时间。这件铜壶滴漏从制成之日一直被使用到公元1900年前后，历时将近700年，是我国现存最早、最大、最完整的铜壶滴漏。第一章 绪论水力学的发展简史相传四千多年前（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
3、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。 1.1 水力学的定义、任务和发展简史古代中国水力学的发展古代中国水力学的发展 秦国蜀郡太守李冰在岷江中游修建了都江堰，闻名世界的防洪灌溉工程；都江堰位于四川省都江堰市城西，是中国古代建设并使用至今的大型水利工程，被誉为“世界水利文化的鼻祖”，是四川著名的旅游胜地。通常认为，都江堰水利工程是由秦国蜀郡太守李冰及其子率众于前256年左右修建的，是全世界迄今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程，属全国重点文物保护单位。 拜水都江堰！ 问道青城山！ 中国历史上最
4、激动人心的工程不是长城，而是都江堰。深淘滩，低作堰、遇湾截角，逢正抽心都江堰主要由渠首、附属工程和灌溉渠系工程组成，渠首包括鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口。与自然条件协调，三大部分组成了一个科学、完整的水利工程体系，通过各自功能的有效发挥，达到自动分水、泄洪、排沙、沉沙、引水的目的。工程布局合理，配合巧妙，功效显著，蕴涵着丰富、精深的科学哲理。鱼嘴与上游的百丈堤及下游的内、外金刚堤联合作用，自动将岷江上游的水流按照丰水期“内四外六”、枯水期“外四内六”的比例分流引入灌区，工作原理满足弯道水流“大水走直，小水走弯”的规律；鱼嘴的位置处在水流中泓线左右偏转的一个临界点上。飞沙堰位于内金刚堤与人字堤之间，堰顶
5、高程较低。当内江水量超过需要时，水便会从堰顶溢人外江；飞沙堰筑成微弯的形状，与上游的内江河段形成一微弯的河道形态，水流挟带的泥沙在弯道环流作用下，从凸岸的飞沙堰顶上翻出，进入外江，内江水量愈大，飞沙堰的分洪飞沙效果愈明显；当内江水量超过某个最大值时，水流就会直冲飞沙堰，将由竹笼垒砌而成的飞沙堰冲毁，于是更多的上游来水都由此进入外江，从而保证了灌区的防洪安全。宝瓶口是都江堰灌区的总取水口；当上游来水不大时，其壅水作用不明显，进入宝瓶口的水流接近明渠水流；而当上游来水过大时，宝瓶口的：壅水作用加强，一方面会抬高上游水位，使多余水量溢出飞沙堰，同时促进泥沙夸宝瓶口上游处沉积；另一方面，从水力学的角度
6、看，这时进人宝瓶口的水流已属宽顶堰淹没出流的性质，其过流量不再与上游来量成正相关，从而控制了进入灌区的水量，达到稳定引水量的目的。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
7、，以水攻沙”,的治理黄河的措施。第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史阿基米德阿基米德 Archimedes Archimedes （约公元前（约公元前287287前前212212）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。第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史达芬奇Leonardo da Vinei （14521519）15-1715-17世纪水力学的缓慢发展世纪水力学的缓慢发展最先对漩涡的流
8、速分布、突然扩大断面和尾流漩涡、波浪传播和水跃等进行探讨或描述，成就远超过前人 ；提出水的连续定律，认识到明渠流的边界阻力，还首先提出关于流线形物体、降落伞、风速表、离心泵等设想；在水利方面的著作有水的运动与测量。第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史斯蒂文S. Simon Stevin (15481620) 15-1715-17世纪水力学的缓慢发展世纪水力学的缓慢发展斯蒂文在数学上的贡献是他在1585年采用了十进位的小数记数方法； 对流体力学的贡献是关于液体平衡的论著静力学原理，1586年发表，1605年收入他的数学文集。第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的
9、定义、任务和发展简史托里拆利Evangelista Torricelli (16081647) 15-1715-17世纪水力学的缓慢发展世纪水力学的缓慢发展托里拆利是伽利略的学生及其晚年的助手（16411642）；托里拆利以发明气压计而闻名；1643年他提出了托里拆利公式。第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史15-1715-17世纪水力学的缓慢发展世纪水力学的缓慢发展牛顿Isaac Newton(16421727） 提出了关于液体内摩擦的假定和粘滞性的概念，建立了液体的内摩擦定律第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史伯努利Daniel I
10、Bernoulli （17001782）建立了理想液体运动的能量方程伯努里方程；以水动力学，关于流体中力和运动的说明(1738)一书著称。经典流体力学经典流体力学第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史欧拉Leohard Euler (17071783) 建立了理想液体的运动方程欧拉运动微分方程；以水动力学，关于流体中力和运动的说明(1738)一书著称欧拉用两种方法来描述流体的运动，这两种方法通常称为欧拉表示法和拉格朗日表示法(1755和1759)描述流体速度场；给出反映质量守恒的连续性方程(1752)和反映动量变化规律的流体动力学方程(1755)经典流体力学经典流体力
11、学第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史纳维C.L.M.H. Navier（17851836）斯托克斯George Gabriel stokes（18191903）建立了理想液体的运动方程欧拉运动微分方程建立了实际液体的运动方程纳维尔斯托克斯方程，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；古典流体力学采用严格数学分析方法，理论上比较严密，但数学上求解困难或某些假设不能符合实际尚难求解大部分实际问题。 经典流体力学经典流体力学第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史雷诺Osborne Reynolds (18421912)1883年，
12、雷诺通过试验发现了液流两种流态层流和紊流；1894年，提出了紊流的基本方程雷诺方程。经典流体力学经典流体力学第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史谢才Leohard Euler (17071783) 总结了一系列渠道水流实测资料的基础上, 提出明渠均匀流流速与流量的经验公式谢才公式，以后又有确定谢才系数的曼宁公式、巴普洛甫斯基公式。经典流体力学经典流体力学第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史经典流体力学经典流体力学泊肃叶 J.L.M. Poiseuille (17991869) 法国生理学家。长期研究血液在血管内的流动,在求学时代即已发明血
13、压计用以测量狗主动脉的血压;18401841年发表的论文小管径内液体流动的实验研究对流体力学的发展起了重要作用。他在文中指出，流量与单位长度上的压力降与管径的四次方成正比。此定律后称为泊肃叶定律。第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史达西Daniel I Bernoulli （17001782）建立了砂土渗流基本定律；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。国际上将此项渗透规律定名为达西定律。经典流体力学经典流体力学第一章 绪论水力学的发展简史1.1 水力学的定义、任务和发展简史普朗特Ludwig Prandtl (1875195
14、3)普朗特1904年提出边界层理论。1904年建立和主持了空气动力学实验所。1925年以后又建立威廉皇家流体力学研究所。以后该所改名为普朗特流体力学研究所。他在边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。现代流体力学现代流体力学环境水力学： 研究污染物在水体中混合输移的规律及其应用的学科。水力学的一个新分支。工农业生产及生活中的污水、废热，未经足够处理，就排入河流、湖泊、海洋及地下水等水域中，污染水体，恶化水质，日益严重地影响生态、环境。污染物在水体中会因与水体混合，随水流输移而稀释；也会因化学、生物作用而降解。因此，水体本身有一定的自净能力。环
15、境水力学的主要目标是，探求因混合、输移而形成的污染物浓度随空间和时间的变化关系，为水质评价与预报、水质规划与管理、排污工程的规划设计以及水资源保护的合理措施提供基本依据。 计算水力学是涉及经典力学、计算方法、数值分析、程序编制、数据处理和可视化等学科的一门综合性交叉学科，是水利、交通、环境、土木、地质、采矿、能源等工科专业硕、博士研究生培养方案中一门重要的专业基础课程。 第一章 绪论流体质点概念流体质点概念宏观（流体力学处理问题的尺度）：流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零； “宏观小宏观小”微观（分子自由程的尺度）：流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这
16、些分子行为的统计平均值是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。 “微观大微观大” 1.2 液体的连续介质模型第一章 绪论连续介质假设（欧拉连续介质模型，连续介质假设（欧拉连续介质模型，1753）将流体区域看成由流体质点连续组成，占满空间而没有间隙，其物理特性和运动要素在空间是连续分布的；连续介质假设是近似的、宏观的假设，它为数学工具的应用提供了依据，在其它力学学科也有广泛应用，使用该假设的力学统称为“连续介质力学”；除个别情形外（掺气水流、空穴现象），在水力学中使用连续介质假设是合理的；连续介质假设为建立流场的概念奠定了基础。1.2 液体的连续介质模型第一章 绪论液体
17、的基本特征液体的基本特征拉力没有抵抗拉伸变形的能力压力具有抵抗压缩变形剪切力剪切力（剪切力（ ）静止时不能承受剪切力；流体质点之间有相对运动时，才能抵抗剪切变形；只要有 ，流体就不会静止，发生连续变形而流动； 无论多小，只要足够的时间便能产生任意大的变形；运动流体抵抗剪切变形的能力体现在变形的速率上，而不是变形的大小上（弹性体）。1.3 液体的主要物理性质第一章 绪论1.3 液体的主要物理性质质量（惯性）质量（惯性）单体体积均质液体所具有的质量，称为密度密度 非均质液体任一点密度 )/( 3mKgVmVmV0lim第一章 绪论1.3 液体的主要物理性质重量和容重（重度）重量和容重（重度）单位体
18、积均质液体所具有的重量称为容重 非均质液体时任一点容重 容重和密度的关系 )/( 3mKNVG)/( 2smkgmgGVGV0limgVmgVG第一章 绪论1.3 液体的主要物理性质黏滞性黏滞性液体运动时若质点间存在相对运动，则质点间就要产生内摩擦力，并具有抵抗剪切变形的能力，这种性质即为液体的粘滞性dtdAdyduAF第一章 绪论1.3 液体的主要物理性质黏滞性黏滞性单位面积上的内摩擦力称为粘滞切应力 ：粘滞系数（动力黏滞系数）粘滞系数（动力黏滞系数） ：流速梯度 ：剪切变形速度p运动黏滞系数运动黏滞系数dtddyduAFdydudtd)/(2sm 适用条件适用条件：牛顿流体（牛顿流体（Ne
19、wtonian fluidNewtonian fluid） 牛顿流体的适用条件牛顿流体的适用条件 0du/dy牛顿流体牛顿流体理想宾汉流体理想宾汉流体伪塑性流体伪塑性流体膨胀性流体膨胀性流体 泥浆，血液等泥浆，血液等 尼龙，橡胶的溶液尼龙，橡胶的溶液生面团，浓淀粉等生面团，浓淀粉等第一章 绪论1.3 液体的主要物理性质黏滞性黏滞性理想流体假设理想流体假设理想流体假设是忽略粘性影响的假设，可近似反映粘性作用不大的实际流动，粘性作用不大是相对于其它因素的作用而言的； 是流体的客观属性，所以往往是在变形速率不大的区域将实际流体简化为理想流体；是否忽略粘性影响将对流动问题的处理带来很大的区别，理想流体
20、假设可以大大简化理论分析过程。 第一章 绪论1.3 液体的主要物理性质压缩性压缩性体积压缩系数体积弹性系数液体的K值随温度和压强而变，随温度变化不显著。液体的K值很大，除非压强变化很剧烈，一般可不考虑压缩性，做不可压缩流体假设，即认为液体的K值为无穷大，密度为常数。水下爆炸、水击问题)/(2NmdpVdV)/(12mNVdVdpK第一章 绪论1.3 液体的主要物理性质表面张力表面张力液体内部的分子之间的相互作用力是相互平衡的。液体自由面由于水分子及空气分子间的引力不平衡，使自由面能承受微弱拉力的性质，称为表面张力液体与气体相接触的自由表面 液体与固体接触表面 两种不同液体接触表面 表面张力大小
21、可用自由面上单位长度所受的拉力，即表面张力系数来度量。20C的水=0.073N/m,水银=0.51 N/m。 第一章 绪论1.3 液体的主要物理性质汽化压强汽化压强饱和蒸汽压空化现象 在洁净的玻璃上放一滴水，它会附着在玻璃板上形成薄层。把一块洁净的玻璃片浸入水中再取出来，玻璃的表面会沾上一层水。这种液体附着在固体表面上的现象叫做浸润。对玻璃来说 ，水是浸润液体。 毛细现象把几根内径不同的细玻璃管插入水中，可以看到，管内的水面比容器里的水面高，管子的内径越小，里面的水面越高。把这些细玻璃管插入水银中，发生的现象正好相反，管子里的水银面比容器里的水银面低，管子的内径越小，里面的水银面越低。 浸润液
22、体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象，叫做毛细现象。能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管。 液体为什么能在毛细管内上升或下降呢?我们已经知道，液体表面由于有表面张力存在时类似张紧的橡皮膜，如果液面是弯曲的，它就有变平的趋势。因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力。浸润液体在毛细管中的液面是凹形的，它对下面的液体施加拉力，使液体沿着管壁上升，当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时，管内的液体停止上升，达到平衡。同样的分析也可以解释不浸润液体在毛细管内下降的现象。 第一章 绪论质量力作用于所研究液体的每一个质点上，其大小与液体的质量成比例的力，如重力、惯性力等 1.4 作用于液体上的力单位质量力 MFf MFfxxMFfyyMFfZz精品课件精品课件！精品课件精品课件！第一章 绪论表面力（面积力）作用于液体表面，其大小与受作用液体的表面积成比例的力，如粘滞力、压力、表面张力等；压力液体单位面积上所受的压力称为压强 ；切力液体单位面积上的所受的切力称为切应力 。1.4 作用于液体上的力APpA0limAFA0limp
