1、第0章 绪论一、水力学研究对象物质物质固体固体流体流体液体液体气体气体油、血浆、油、血浆、泥浆泥浆 水水研究对象研究对象：液体并且主要是水，但它的研究方法和基本原理也适用于其他不可压缩液体，即包括那些在一定条件下“压缩性”影响可以忽略不计的气体在内。0.1水力学的任务与研究对象水力学的任务与研究对象 二、任务二、任务研究任务：主要研究液体的力学性质、运动规律、工程应用的科学。三、应用范围三、应用范围 不但应用在水利工程、港口工程、海洋工程，且应用在很多其他工程技术部门，如机械制造、土木建筑、电力工业（火电站、核电站）、石油开采、化学工业。0.1水力学的任务与研究对象水力学的任务与研究对象四、研
2、究内容四、研究内容水静力学：关于液体平衡的规律，两种状态，静止或相对平衡时，作用在也提上各种力之间的相互关系。水动力学：关于液体运动的规律，研究液体在运动状态下，作用在也提上的力与运动要素之间的关系，液体的运动特性与能量转换。按水流存在的状态水动力学水动力学水静力学水静力学静水压力静水压力静水压强静水压强动量守恒：动量守恒：动量方程动量方程能量守恒：能量守恒：能量方程能量方程质量守恒：质量守恒：连续方程连续方程0.1水力学的任务与研究对象水力学的任务与研究对象按研究的方法基础理论:如三大方程 基本应用：如管、渠恒定流专门问题：消能、水击、两相流按水流边界条件管道水流明渠水流堰流孔口出流射流渗流
3、闸孔出流桥涵水流坡面流有压流无压流溃坝水流0.1水力学的任务与研究对象水力学的任务与研究对象五、课程特点概念多分类多公式多系数多两个难点紊流特征三维流的场分析法课程要求：听课，自学习题，讨论总结，提炼基础课程：高等数学，物理学，理论力学，四个较多0.1水力学的任务与研究对象水力学的任务与研究对象水力学发展简史水力学发展简史 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。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
4、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。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。0.2 水力学发展简史水力学发展简史 古典流体力学的奠基人是瑞士数学家伯努利(Bernoulli，D)欧拉(Euler，L)忽略黏性、重数学、重理论 实用流体力学(又分支出水力学)的奠基人是一些工程师和实际工作者，如谢才(Chezy，Ade)，达西(Darcy，H)，毕托(Pitot，H)，曼宁等。考虑黏性、偏经验、偏实用 使上述两类研究方法得到统一的是德国人普朗特在1904年创立的边界层理论（附面层理论）20世纪以来，随着生产和科学的发展，水力学得到了迅速发展，分支出：计算水
5、力学，环境水力学，工程水力学，生态水力学，城市水力学等0.2 水力学发展简史水力学发展简史n几乎不抗拉n易流动，不能保持一定形状n难于压缩，具有一定的体积，能保持一个自由表面n各向同性、匀质n连续介质1、液体的特性：自然界的三种状态：液体、固体和气体。液体的特性：分子间距大、内聚力小，不能承受拉力，不能承受剪切力，无固定的形态。0.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质十、主要力学性质n惯性、质量、密度n万有引力、重力、容重n粘滞性n压缩性和膨胀性n表面张力0.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质Vm密度定义（均质流体）容重GgV国际单位33N m,KN m3kg m工程上视为常数，取一
6、个标准大气压下，温度为4，蒸馏水来计算，39800N m31000kg m单位体积液体所含有的质量 单位体积液体所具有的重量 常用数值量纲 3ML 22MLT0.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质1.物体与物体之间相对运动，存在摩擦力。2.当液体处于运动状态时，若液体质点之间存在相对运动，则液体质点间也要产生抵抗其相对运动的力广义摩擦力。这种特性称之为粘滞性。粘滞性 牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：duddydtduTAdy0.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质牛顿内摩擦定律：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（应变率），同时与液
7、体的性质有关与接触面压力无关。为动力粘滞系数（动力粘度），国际 单位：2/msN 为运动粘滞系数（运动粘度），国际单位：2ms适用条件：适用条件：只能适用于牛顿流体0.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质2000221.00337.0101775.0tv在同一种液体中，或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，可按下列经验公式计算0.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质例如：夏天的水比冬天要清澈，原因是温度越高，粘滞性越小宾汉体：泥浆、血液伪塑体：尼龙、橡胶膨胀体：面团、淀粉牛顿体：水、油 压缩性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
8、质称为液体的压缩性或弹性。dpVdVk体积压缩系数kK1体积弹性系数K值越大，表示液体愈不容易压缩。0.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质表面张力表面张力 自由表面上，液体分子由于受两侧分子引力不平衡，使自由面上液体分子受有极其微小的拉力。表面张力仅在自由表面存在，液体内部并不存在。大小：用表面张力系数来度量 是指在自由面单位长度上所受拉力的数值。单位：牛顿米（N/m）。0.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质量纲和单位量纲和单位量纲量纲：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：基本量纲：相互独立，即其中的任意一个量纲都
9、不能从其 它量纲中推导出来。如L、T、M 诱导量纲诱导量纲:由基本量纲推导出来的，也称为导出量纲。2AL面积面积 LVT速度速度 2LaT加速度加速度单位单位:为了衡量同一类别物理量的大小而规定的度量标准称为单位。国际单位制国际单位制(SI)工程单位制工程单位制 L T M L T F基本量纲基本量纲:诱导量纲诱导量纲:FM 0.3 液体的主要物理性质液体的主要物理性质基本观点n液体是由分子组成n分子之间存在空隙n分子有热运动分子间空隙水体宏观尺度分子运动液体宏观运动提出连续介质假设：假设液体是一种连续充满空间的连续体“连续介质连续介质”概念的建立，使液体中的一切物理量（压强、速度、密度等）都
10、可视为空间坐标和时间的连续函数如：p=p(x,y,z,t)、u=u(x,y,z.t)。0.4 连续介质与理想液体的概念连续介质与理想液体的概念理想液体：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。理想液体的概念理想液体的概念有没有考虑粘滞性：有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主要差别。0.4 连续介质与理想液体的概念连续介质与理想液体的概念作用在流体上的力n隔距作用n作用于质点或质心n大小正比于质量n某点的单位质量力n例如：重力、惯性力是液体所处重力场、磁力场等引力场中，作用于液体各质点上的一种力n直接接触n作用于表面n与液体的质量无关n大小正比于
11、作用面积n某点的应力表示n例如：摩阻力（切向力）、压力（法向力）表面力质量力0.5 作用于液体上的力作用于液体上的力FMxyz0MFfMFfMFfzxyyxx单位质量力MFf 投影形式或MFXxMFYyMFZz研究方法研究方法n理论方法n试验方法n数值方法理论模型普遍规律数学求解观察与测量分析处理本质规律数学问题求近似解0.6水力学的研究方法水力学的研究方法n理论分析将普遍规律、公理，如：牛顿定律、能量守恒定律力系的平衡定律、动能定律动量定律、最小耗能原理等用于液体分析中，建立液体微分方程、积分方程、优化方程、结合边界条件、限定条件求解液体运动。0.6水力学的研究方法水力学的研究方法数值计算利
12、用计算机技术，数值求解描述液体运动的微分方程、积分方程等，得到问题的数值解。数学模型及计算机仿真技术。习题习题1-1 500L水银的质量为6795kg，试求水银的密度和容重。1-3 设水的体积弹性系数K=2.18109N/m2,试问压强改变多少时，其体积才可相对压缩10%?1-4 如题1-4图所示，有一面积为0.16m2的平板在油面上作水平运动，已知运动速度u=1m/s，平板与固定边界的距离=1mm，油的动力黏度为1.15 Pas，由平板所带动的速度成直线分布，试求平板所受的阻力。1-6 如题1-6图所示的盛水容器，该容器以等角速度绕中心轴旋转。试写出位于A（x,y,z）点处单位质量所受的质量力分量表达式。
