1、2022-10-292022-10-291 1第第1 1章章 绪绪 论论第第2 2章章 水静力学水静力学第第3 3章章 液体运动学液体运动学第第4 4章章 水动力学基础水动力学基础第第5 5章章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失第第6 6章章 量纲分析与相似原理量纲分析与相似原理第第7 7章章 孔口、管嘴出流和有压管流孔口、管嘴出流和有压管流第第8 8章章 明渠均匀流明渠均匀流第第9 9章章 明渠非均匀流明渠非均匀流第第1010章章 堰流及闸孔出流堰流及闸孔出流第第1111章章 渗流渗流第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-292 2本次课堂主要内容：本次课堂主要内容：
2、液体的主要物理性质液体的主要物理性质 连续介质的假说连续介质的假说作用于液体上的力作用于液体上的力 水力学的任务水力学的任务实际工程中的水力学问题实际工程中的水力学问题第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-293 3第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-294 4 2022-10-292022-10-295 52022-10-292022-10-296 62022-10-292022-10-297 71.1 1.1 水力学的任务及其发展概况水力学的任务及其发展概况 （1 1）、）、水力学的任务水力学的任务 水力学的主要任务是研究液体（主要是水）的水力学的
3、主要任务是研究液体（主要是水）的平平衡衡和和机械运动规律机械运动规律及其及其实际应用实际应用。第一章第一章 绪论绪论 现代水力学已被广泛地应用于水利、现代水力学已被广泛地应用于水利、给排水给排水、土建、环境、交通、机械、化工、采矿、冶金等各土建、环境、交通、机械、化工、采矿、冶金等各个工程领域，为工程设计和运行管理提供科学依据。个工程领域，为工程设计和运行管理提供科学依据。市政工程市政工程 如桥涵孔径设计、如桥涵孔径设计、给水排水给水排水、管网计算、管网计算、泵站和水塔的泵站和水塔的设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，无论取水、水处理、设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，无论取水、水处
4、理、输配水都是在水流动过程中实现的。流体力学理论是给水排水系统输配水都是在水流动过程中实现的。流体力学理论是给水排水系统设计和运行控制的理论基础。设计和运行控制的理论基础。城市防洪工程城市防洪工程 如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过流能如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过流能力等。力等。2022-10-292022-10-298 8水力学水力学水利工程建筑水利工程建筑水力发电水力发电农田水利农田水利机电排灌机电排灌港口工程港口工程河道整治河道整治给排水给排水水资源水资源环境保护环境保护冶金冶金土木土木化工化工石油石油机械机械采矿采矿水力学的应用水力学的应用第一章第一章 绪论绪论202
5、2-10-292022-10-299 9Archimedes(285-212 BC)Archimedes(285-212 BC)Parallelogram（平行四边形平行四边形）law for addition of vectorsLaw of buoyancy（浮力）（浮力）第一章第一章 绪论绪论（2 2）、水力学发展概况）、水力学发展概况2022-10-292022-10-291010Leonardo da VinciLeonardo da Vinci（达芬奇）（达芬奇）(1452-1519)(1452-1519)一维恒定流动连续性方程一维恒定流动连续性方程紊流（紊流（Turbulence
6、Turbulence）第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-291111Isaac Newton(1642-1727)Isaac Newton(1642-1727)Laws of motion Laws of viscosity of Newtonian fluid第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-29121219th 19th centurycenturyNavier Navier(1785-1836)(1785-1836)&Stokes&Stokes(1819-1905)(1819-1905)N-S equationN-S equation vi
7、scous flow solution viscous flow solutionReynolds Reynolds(1842-1912)(1842-1912)u发现紊流发现紊流（TurbulenceTurbulence）u提出雷诺数提出雷诺数（ReynoldsNumberReynoldsNumber）第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-29131320th century20th centuryLudwig PrandtlLudwig Prandtl (1875-1953)(1875-1953)lBoundary theory(1904)Boundary theory(
8、1904)l The father of modern fluid The father of modern fluid mechanicsmechanicsVonkarmanVonkarman(1881-1963)(1881-1963)I.TaylorI.Taylor(1886-1975)(1886-1975)现代流体力学现代流体力学理论的奠基者理论的奠基者第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-291414在我国，水利事业的历史十分悠久在我国，水利事业的历史十分悠久:40004000多年前的多年前的“大禹治水大禹治水”的故事的故事顺水之性，治顺水之性，治水须引导和疏通。水
9、须引导和疏通。秦朝在公元前秦朝在公元前256256公元前公元前210210年修建了我国历史上的三年修建了我国历史上的三大水利工程（大水利工程（都江堰都江堰、郑国渠、灵渠）、郑国渠、灵渠）明渠水流、堰明渠水流、堰流。流。古代的计时工具古代的计时工具“铜壶滴漏铜壶滴漏”孔口出流。孔口出流。清朝雍正年间，何梦瑶在清朝雍正年间，何梦瑶在算迪算迪一书中提出流量等一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。隋朝（公元隋朝（公元587610587610年）完成的南北大运河。年）完成的南北大运河。隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元隋朝工匠李春在冀中洨河修建
10、（公元605617605617年）的赵州年）的赵州石拱桥石拱桥拱背的拱背的4 4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水。洪水。第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-2915151.2 1.2 液体的连续介质模型液体的连续介质模型 连续性假定连续性假定是指是指宏观上可以把液体看成是由宏观上可以把液体看成是由无数个质点无数个质点组成的稠密无隙的连续介质。组成的稠密无隙的连续介质。第一章第一章 绪论绪论 在水力学中，在水力学中，质点质点是组成液体的是组成液体的最小基本元素最小基本元素，且质点，且质点间不存在间隙。亦即液体质点在宏观上可视为只有质量
11、而无间不存在间隙。亦即液体质点在宏观上可视为只有质量而无体积的体积的“点点”，而且充满其所占有的空间，因此，每个质点，而且充满其所占有的空间，因此，每个质点在其运动空间就唯一地占据一个空间点，反之亦然。在其运动空间就唯一地占据一个空间点，反之亦然。2022-10-292022-10-2916161.3 1.3 作用在液体上的力作用在液体上的力1.3.1 1.3.1 表面力定义表面力定义 表面力表面力是作用于液体的表面上的力，是相邻液体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。或其他物体作用的结果，通过相互接触面传递。APpAlim0ATAlim0 表面力按作
12、用方向可分为：表面力按作用方向可分为：压力压力：垂直垂直于作用面。于作用面。切力切力：平行平行于作用面于作用面第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-291717应力应力：单位面积上的表面力，单位：单位面积上的表面力，单位：或或 ；压强：单位面积上的压力；压强：单位面积上的压力；切应力：单位面积上的切力切应力：单位面积上的切力2mNPa1.3.2 1.3.2 质量力质量力 质量力质量力是作用在液体每一个质点上的力，其大是作用在液体每一个质点上的力，其大小与液体的质量成正比。小与液体的质量成正比。则单位质量力为则单位质量力为mFf m 当液体是均质的，其质量为当液体是均质的，其
13、质量为总质量力为总质量力为F F第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-291818 当总质量力在坐标上的投影分别为当总质量力在坐标上的投影分别为 ,，yFzFXF则单位质量力在相应坐标的投影为则单位质量力在相应坐标的投影为 ，yfxfzfmFfmFfmFfzzyyXxkfjfiffzyx即即，与加速度的单位相同。，与加速度的单位相同。单位质量力的单位为单位质量力的单位为2sm第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-291919液体的密度液体的密度:单位体积液体所含有的质量，用表示单位体积液体所含有的质量，用表示 表示。表示。1.4 1.4 液体的主要物理性
14、质液体的主要物理性质 1.4.1 1.4.1 液体的密度液体的密度zyxA,V为液体中取包含为液体中取包含 点的微元体积点的微元体积非均质液体的密度为非均质液体的密度为VMVlim0式中式中 VM液体的密度液体的密度 液体的质量液体的质量 液体的体积液体的体积 Vm 均质液体的密度为均质液体的密度为国际单位国际单位:3mKg 一个标准大气压下，温度为一个标准大气压下，温度为4，水密度为，水密度为31000mKg第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-2920201.4.2 1.4.2 粘性和理想液体粘性和理想液体1.1.粘性的概念及内摩擦力产生的原因粘性的概念及内摩擦力产生的
15、原因 粘滞性粘滞性:由分子间的相互吸引力和分子不规则由分子间的相互吸引力和分子不规则运动的动量交换产生的。运动的动量交换产生的。(1)(1)两层两层液体之间液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成的粘性力主要由分子内聚力形成(2)(2)两层两层气体之间气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成的粘性力主要由分子动量交换形成u液体和气体的黏性随温度的变化不同液体和气体的黏性随温度的变化不同温度温度 分子间距分子间距 分子吸引力分子吸引力 内摩擦力内摩擦力 粘度粘度温度温度 分子热运动分子热运动 动量交换动量交换 内摩擦力内摩擦力 粘度粘度第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-2921
16、21u流体的流体的粘性粘性是流体在运动过程中产生是流体在运动过程中产生机械能损失机械能损失的根源，的根源，是流体所固有的一个非常重要的性质。是流体所固有的一个非常重要的性质。2.2.牛顿内摩擦定律和粘性的表示方法牛顿内摩擦定律和粘性的表示方法 u设下板固定不动，上板以匀速设下板固定不动，上板以匀速向右运动。向右运动。液体的内摩擦力产生在我们设想的这种有相对液体的内摩擦力产生在我们设想的这种有相对运动的薄层之间。运动的薄层之间。当当 或或 不是太大时，实不是太大时，实际测得际测得液体的速度为线性分液体的速度为线性分布。布。hu结论：结论：第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-
17、292222牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：与垂直于流动方向的速度梯度与垂直于流动方向的速度梯度du/dydu/dy成正比成正比与流层的接触面积与流层的接触面积A A成正比成正比与流体的种类有关与流体的种类有关与接触面上压强与接触面上压强P P 无关无关内摩擦力内摩擦力F F任意速度分布的层状流动任意速度分布的层状流动ydudAF 第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-292323yuATdd牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律反映流体粘滞性反映流体粘滞性大小的系数大小的系数v 运动粘性系数，运动粘性系数，m m2 2/s/sv 动力黏性系数动力黏性系数，PaPas syudd切应
18、力切应力第一章第一章 绪论绪论在理论分析和工程计算中在理论分析和工程计算中 2022-10-292022-10-292424dtddydudydudtdd tan速度梯度速度梯度=直角变形速度直角变形速度第一章第一章 绪论绪论流动性流动性 无限变形无限变形 用直角变形速度来描述剪切变用直角变形速度来描述剪切变形的快慢。形的快慢。dydu速度梯度，表示速度沿垂直于速度方向速度梯度，表示速度沿垂直于速度方向y y的变的变化率。化率。2022-10-292022-10-2925251.4.3 1.4.3 液体的压缩性和热胀性液体的压缩性和热胀性PPVVK压缩性压缩性：压强增高时，分子间的压强增高时，
19、分子间的距离减小距离减小，液体宏观，液体宏观体积体积减小减小，密度增加密度增加，除去外力后能恢复原状的性质。，除去外力后能恢复原状的性质。式中的式中的负号负号表示压强增大体积缩小表示压强增大体积缩小 体积压缩系数体积压缩系数当温度保持不变，单位压强增当温度保持不变，单位压强增量引起的体积变化率量引起的体积变化率K Nm/2单位：单位：ppVVKdddd第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-292626热胀性：热胀性：温度升高，液体宏观体积增大，密度减温度升高，液体宏观体积增大，密度减 小，温度下降后能恢复原状的性质。小，温度下降后能恢复原状的性质。TVTdVdddVVdpd
20、KE1工程上常用体积模工程上常用体积模量衡量流体压缩性量衡量流体压缩性压缩系数的倒数压缩系数的倒数体积弹性模量体积弹性模量 ：E第一章第一章 绪论绪论E一般工程设计中，水的体积弹性系数一般工程设计中，水的体积弹性系数29N/m102可近似地取为可近似地取为 2022-10-292022-10-292727 液体表面薄层内能够承受液体表面薄层内能够承受微小拉力微小拉力的特性，存在于液体表的特性，存在于液体表面或两种面或两种不相混合不相混合的液体的的液体的交界面。交界面。由于由于表面张力表面张力的作用，管内的液体表面会高于或低于管的作用，管内的液体表面会高于或低于管外的液面，称为外的液面，称为毛细
21、管现象毛细管现象表面张力系数表面张力系数液面上单位长度所受的拉液面上单位长度所受的拉 力，单位力，单位N/mN/m。1.4.4 1.4.4 表面张力特性表面张力特性第一章第一章 绪论绪论2022-10-292022-10-2928281.4.5 1.4.5 汽化压强汽化压强液体的惯性、重力特性和粘滞性对液体运动有重要液体的惯性、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。只有在特殊问题中才需要考虑，请注意区分。第一章第一章 绪论绪论实际应用中的空化现象与液体的汽化压强有关，实际应
22、用中的空化现象与液体的汽化压强有关，需要注意。需要注意。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。汽化压强随液体的种类和温度的不同而改变。2022-10-292022-10-2929291.5 1.5 水力学的研究方法水力学的研究方法第一章第一章 绪论绪论 水力学是一门实践性很强的学科，它的理论都是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。过程中经受检验、得到修正和进一步完善。l理论分析法理论分析法 无限微量法无限微量法有限控制体法（平均值法）有限控制体法（平均值法）l实验研究法实验研究法 l数值计算法数值计算法 2022-10-292022-10-293030
