《水力學(xué)第一章》ppt課件

1、第一章第一章 液體的主要物理性質(zhì)及作用力液體的主要物理性質(zhì)及作用力主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1-5 1-5 作用在液體上的力作用在液體上的力1-4 1-4 延續(xù)介質(zhì)及理想液體的概念延續(xù)介質(zhì)及理想液體的概念1-6 1-6 水力學(xué)的研討方法水力學(xué)的研討方法1-1 1-1 水力學(xué)的義務(wù)與研討對象水力學(xué)的義務(wù)與研討對象1-3 1-3 液體的主要物理性質(zhì)液體的主要物理性質(zhì)1-2 1-2 量綱和單位量綱和單位1.1 水力學(xué)的義務(wù)與研討對象水力學(xué)的義務(wù)與研討對象 水力學(xué)是一門技術(shù)科學(xué)，是力學(xué)的一個分水力學(xué)是一門技術(shù)科學(xué)，是力學(xué)的一個分支，是水利類專業(yè)的一門重要的技術(shù)根底課。支，是水利類專業(yè)的一門重要的技術(shù)根底課。

2、 研討水和其他液體在外力作用下的平衡與研討水和其他液體在外力作用下的平衡與運(yùn)動規(guī)律及其在實(shí)踐工程中的運(yùn)用。運(yùn)動規(guī)律及其在實(shí)踐工程中的運(yùn)用。義務(wù)義務(wù)實(shí)踐工程中的水力學(xué)問題水工建筑物的滲流問題水工建筑物的滲流問題水對水工建筑物的作用力問題水對水工建筑物的作用力問題河道水面曲線問題河道水面曲線問題水工建筑物下游的消能問題水工建筑物下游的消能問題水工建筑物的過水才干問題水工建筑物的過水才干問題泄流量與閘孔開度、上游水頭泄流量與閘孔開度、上游水頭和下游水深之間的關(guān)系和下游水深之間的關(guān)系1.2 量綱和單位量綱和單位1.2.1 量綱量綱TMLAdimtml量綱表示物理量的性質(zhì)和類別。量綱表示物理量的性質(zhì)和類

3、別。根本物理根本物理量量導(dǎo)出物理導(dǎo)出物理量量在國際單位制在國際單位制SI中，水力學(xué)用到的根本物理量中，水力學(xué)用到的根本物理量有長度、質(zhì)量、時間，相應(yīng)量綱分別為有長度、質(zhì)量、時間，相應(yīng)量綱分別為L、M、T。任何一個導(dǎo)出物理量的量綱可以表示為根本物理量任何一個導(dǎo)出物理量的量綱可以表示為根本物理量量綱的指數(shù)乘積方式量綱的指數(shù)乘積方式 實(shí)際量綱系統(tǒng)LMT以長度、質(zhì)量、時間作為根本物理量所表以長度、質(zhì)量、時間作為根本物理量所表示的量綱示的量綱 適用量綱系統(tǒng)LFT以長度、力、時間作為根本物理量所表示以長度、力、時間作為根本物理量所表示的量綱的量綱單位是量度物理量的基準(zhǔn)單位是量度物理量的基準(zhǔn)1.2.2 1.

4、2.2 單位單位LMTLMT量綱系統(tǒng)中的單位制稱為絕對單位制量綱系統(tǒng)中的單位制稱為絕對單位制某物理量與該物理量的單位量的比值稱為該物理某物理量與該物理量的單位量的比值稱為該物理量的大小。量的大小。 國際單位制國際單位制SISI CGS CGS單位制單位制 長度、質(zhì)量、時間的單位分別為長度、質(zhì)量、時間的單位分別為m m米、米、kgkg千克、千克、 s s秒，力的單位為秒，力的單位為N N牛頓，牛頓，1N = 1kgm/s2 1N = 1kgm/s2 長度、質(zhì)量、時間的單位分別為長度、質(zhì)量、時間的單位分別為cmcm厘米、厘米、g g克、克、 s s秒，力的單位為秒，力的單位為dyndyn達(dá)因，達(dá)因

5、，1dyn = 1gcm/s2 1dyn = 1gcm/s2 力的單位為力的單位為kgfkgf千克力千克力 1kgf = 1kg1kgf = 1kg9.8m/s2 = 9.8N9.8m/s2 = 9.8N 1N = 0.102kgf 1N = 0.102kgf 國際單位制國際單位制CGSCGS單位制單位制工程單位制工程單位制1.3 1.3 液體的主要物理性質(zhì)液體的主要物理性質(zhì) 慣性與萬有引力特性慣性與萬有引力特性 緊縮性緊縮性 液體的汽化壓強(qiáng)液體的汽化壓強(qiáng) 粘性 外表張力外表張力 1.3.1 1.3.1 慣性與萬有引力特性慣性與萬有引力特性 物體所具有堅持運(yùn)動速度和方向不變或在特物體所具有堅持

6、運(yùn)動速度和方向不變或在特殊情況下堅持靜止形狀的性質(zhì)，其大小由物體的殊情況下堅持靜止形狀的性質(zhì)，其大小由物體的質(zhì)量來量度。質(zhì)量來量度。 物體抵抗改動其靜止或勻速直線運(yùn)動形物體抵抗改動其靜止或勻速直線運(yùn)動形狀的一種反作用力。狀的一種反作用力。 質(zhì)量為質(zhì)量為m m的物體在地球上遭到的萬有引力稱的物體在地球上遭到的萬有引力稱為重力。為重力。mgG慣性慣性慣性力慣性力重力重力maF密度密度密度的量綱為密度的量綱為M/L3M/L3，單位為，單位為kg/m3kg/m3對于均質(zhì)液體，對于均質(zhì)液體，VM 單位體積液體的質(zhì)量稱為質(zhì)量密度，單位體積液體的質(zhì)量稱為質(zhì)量密度，簡稱密度，用簡稱密度，用表示。表示。質(zhì)量密度

7、質(zhì)量密度 單位體積液體具有的分量，簡稱為單位體積液體具有的分量，簡稱為重度或容重，用重度或容重，用表示，量綱為表示，量綱為M/L2T2M/L2T2，單位為單位為N/m3N/m3。對于均質(zhì)液體，對于均質(zhì)液體，gVmgVG分量密度分量密度 液體的分量與它同體積的液體的分量與它同體積的44水水的分量之比稱為相對密度，也稱為比重，的分量之比稱為相對密度，也稱為比重，用用s s表示，無量綱，無單位表示，無量綱，無單位wws相對密度相對密度 液體的密度隨溫度和壓強(qiáng)而變化，這種變液體的密度隨溫度和壓強(qiáng)而變化，這種變化很小，水力計算中常把水的密度視為常數(shù)?；苄?，水力計算中常把水的密度視為常數(shù)。密度的性質(zhì)密度

8、的性質(zhì) 一個規(guī)范大氣壓、溫度為一個規(guī)范大氣壓、溫度為44蒸餾水的密度，蒸餾水的密度，在國際單位制中，取在國際單位制中，取w=1000 kg/m3 w=1000 kg/m3 w=9.8 kN/m3 sw=1 w=9.8 kN/m3 sw=1 。1.3.2 1.3.2 粘性粘性粘滯性粘滯性當(dāng)液體處在運(yùn)動形狀時，假設(shè)液體質(zhì)點(diǎn)當(dāng)液體處在運(yùn)動形狀時，假設(shè)液體質(zhì)點(diǎn)之間存在著相對運(yùn)動，那么質(zhì)點(diǎn)間要產(chǎn)之間存在著相對運(yùn)動，那么質(zhì)點(diǎn)間要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對運(yùn)動，這種性質(zhì)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對運(yùn)動，這種性質(zhì)稱為液體的粘滯性。稱為液體的粘滯性。 又稱為粘滯力又稱為粘滯力牛頓平板實(shí)驗(yàn)牛頓平板實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)闡明，兩平板實(shí)驗(yàn)闡明

9、，兩平板上的液體質(zhì)點(diǎn)粘附上的液體質(zhì)點(diǎn)粘附在平板上，內(nèi)摩擦在平板上，內(nèi)摩擦應(yīng)力切應(yīng)力應(yīng)力切應(yīng)力 dydu牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律 相鄰液層間單位面積上所作用的內(nèi)摩擦力與流速梯度成相鄰液層間單位面積上所作用的內(nèi)摩擦力與流速梯度成正比，同時與液體的性質(zhì)有關(guān)。正比，同時與液體的性質(zhì)有關(guān)。dydudydudt(u+du)dt21udt應(yīng)力圖ox(u)dyyyuu+du圖1.3.1慢層快層變形圖u分布動力粘度，簡稱粘度動力粘度，簡稱粘度流速梯度流速梯度單位面積上的內(nèi)摩擦力單位面積上的內(nèi)摩擦力關(guān)于牛頓內(nèi)摩擦定律的幾點(diǎn)討論關(guān)于牛頓內(nèi)摩擦定律的幾點(diǎn)討論tan()dudtdddyddudtdy2 2粘度粘度

10、反映液體的性質(zhì)對摩擦力的影響。粘性大的反映液體的性質(zhì)對摩擦力的影響。粘性大的液體液體值大，粘性小的液體值大，粘性小的液體值小。單位：值小。單位：N.s/m2N.s/m2或或Pa.sPa.s。粘度值的主要影響要素有：液體的種類、液體的溫度對于液體，隨溫粘度值的主要影響要素有：液體的種類、液體的溫度對于液體，隨溫度升高，粘度值減小；而對于氣體，隨溫度的升高，粘度值增大度升高，粘度值減小；而對于氣體，隨溫度的升高，粘度值增大 對于水，對于水，式中水溫式中水溫t t以以C C計，計，以以m2/sm2/s計計ABCDDCBAddudtu+duudtddydudtd1 1 即即 切應(yīng)力與液體的剪切變形速度

11、率切應(yīng)力與液體的剪切變形速度率成正比成正比工程中常用，單位：工程中常用，單位：m2/sm2/s，稱為運(yùn)動粘度。，稱為運(yùn)動粘度。24000221. 00337. 011001775. 0tt 3 3牛頓液體與非牛頓液體牛頓液體與非牛頓液體 普通把符合牛頓內(nèi)摩擦定律的液體稱為牛頓液體屬于普通把符合牛頓內(nèi)摩擦定律的液體稱為牛頓液體屬于水力學(xué)研討的范疇，反之稱為非牛頓液體。水力學(xué)研討的范疇，反之稱為非牛頓液體。理想賓漢流體 牛頓流體 偽塑性流體 膨脹性流體 BCADdu/dyO1A A線牛頓液體，當(dāng)液體種類一定、線牛頓液體，當(dāng)液體種類一定、溫度一定時，溫度一定時，=const =const ，切應(yīng)，切

12、應(yīng)力與剪切變形速度成正比力與剪切變形速度成正比B B線理想賓漢液體，如泥漿、油漆線理想賓漢液體，如泥漿、油漆等等C C線擬塑性液體，如黏土、高分子線擬塑性液體，如黏土、高分子化合物溶液等化合物溶液等 D D線膨脹性液體，如濃淀粉糊、濃糖線膨脹性液體，如濃淀粉糊、濃糖溶液溶液4 4理想液體與實(shí)踐液體理想液體與實(shí)踐液體1.3.3 緊縮性緊縮性 液體受壓后體積減小，撤銷壓力后又恢復(fù)原狀的液體受壓后體積減小，撤銷壓力后又恢復(fù)原狀的性質(zhì)稱為緊縮性。性質(zhì)稱為緊縮性。用緊縮系數(shù)用緊縮系數(shù)k來表示液體的緊縮性：來表示液體的緊縮性： k k越大，表示液體越易緊縮，單位：越大，表示液體越易緊縮，單位：m2/Nm2

13、/N或或Pa-1Pa-1還可用體積模量還可用體積模量K K來表示緊縮性的大?。簛肀硎揪o縮性的大?。篕 K越大，表示液體越不易緊縮，單位：越大，表示液體越不易緊縮，單位：N/m2 N/m2 或或PaPa水的緊縮性很小，在水的緊縮性很小，在1010時，時，K = 2K = 2109 N/m2109 N/m2，即添加，即添加一個大氣壓，水的體積相對緊縮值為一個大氣壓，水的體積相對緊縮值為2 2萬分之一，故以為萬分之一，故以為水是不可緊縮的液體除水擊問題。水是不可緊縮的液體除水擊問題。 dpVdVkkK11.3.4 外表張力外表張力 在兩種不同流體介質(zhì)的分界面以及液體同固體的接觸面上，在兩種不同流體介

14、質(zhì)的分界面以及液體同固體的接觸面上，由于分界面兩側(cè)分子作用力的不平衡，使分界面上的流體由于分界面兩側(cè)分子作用力的不平衡，使分界面上的流體分子間存在一個微小的拉力，宏觀上表現(xiàn)為外表張力。分子間存在一個微小的拉力，宏觀上表現(xiàn)為外表張力。 外表張力的大小用外表張力系數(shù)外表張力的大小用外表張力系數(shù)來表示，來表示，是指單位長度是指單位長度周界上的拉力，單位：周界上的拉力，單位：N/mN/m，其隨液體種類和溫度變化而變，其隨液體種類和溫度變化而變化。對于化。對于2020的水，的水，=0.073N/m=0.073N/m，對于水銀，對于水銀=0.514N/m=0.514N/m。外表張力只發(fā)生在液面周界處，作用

15、方向垂直于周界外表張力只發(fā)生在液面周界處，作用方向垂直于周界限且與液面相切，大小為限且與液面相切，大小為lTs毛細(xì)景象毛細(xì)景象將細(xì)的玻璃管插入水中，水將沿細(xì)管上升一定的將細(xì)的玻璃管插入水中，水將沿細(xì)管上升一定的高度，此景象稱為毛細(xì)景象。高度，此景象稱為毛細(xì)景象。產(chǎn)生毛細(xì)景象的緣由：玻璃與水體之間的附著力產(chǎn)生毛細(xì)景象的緣由：玻璃與水體之間的附著力大于水體的內(nèi)聚力而使液面呈凹形面，外表張力大于水體的內(nèi)聚力而使液面呈凹形面，外表張力向上引起水體上升。向上引起水體上升。高為高為h h的液柱分量應(yīng)與外表張力在鉛直方向上的投的液柱分量應(yīng)與外表張力在鉛直方向上的投影相平衡影相平衡毛細(xì)管上升高度毛細(xì)管上升高度

16、是液體與固體的接觸角，水是液體與固體的接觸角，水與玻璃的接觸角與玻璃的接觸角w=0w=0-9-9hdd4cos2dhcos4ABGCDhdz21(a)(c)水銀(b)水毛細(xì)高度毛細(xì)高度對于水銀，玻璃與水銀之間的附著力小于水銀對于水銀，玻璃與水銀之間的附著力小于水銀的內(nèi)聚力而使液面呈凸形面，外表張力產(chǎn)生指的內(nèi)聚力而使液面呈凸形面，外表張力產(chǎn)生指向水銀內(nèi)部的附加壓強(qiáng)，因此壓下了一個毛細(xì)向水銀內(nèi)部的附加壓強(qiáng)，因此壓下了一個毛細(xì)管高度。管高度。水銀與玻璃的接觸角為鈍角取水銀與玻璃的接觸角為鈍角取 =140 =1401.3.5 1.3.5 液體的汽化壓強(qiáng)液體的汽化壓強(qiáng) 液體的分子逸出液面變?yōu)檎魵庀蚩臻g分

17、散的過液體的分子逸出液面變?yōu)檎魵庀蚩臻g分散的過程稱為汽化。程稱為汽化。 汽化與凝結(jié)過程同時存在，當(dāng)兩個過程到達(dá)平汽化與凝結(jié)過程同時存在，當(dāng)兩個過程到達(dá)平衡時，宏觀的汽化景象停頓，此時液面的壓強(qiáng)稱衡時，宏觀的汽化景象停頓，此時液面的壓強(qiáng)稱為飽和蒸汽壓強(qiáng)或汽化壓強(qiáng)。為飽和蒸汽壓強(qiáng)或汽化壓強(qiáng)。 當(dāng)液面空間有限時，隨氣體分子的添加，壓強(qiáng)當(dāng)液面空間有限時，隨氣體分子的添加，壓強(qiáng)逐漸增大，部分氣體分子前往液體，氣體凝結(jié)為逐漸增大，部分氣體分子前往液體，氣體凝結(jié)為液體，這一過程稱為凝結(jié)。液體，這一過程稱為凝結(jié)。液體的汽化壓強(qiáng)隨溫度的升高而增大。液體的汽化壓強(qiáng)隨溫度的升高而增大。 當(dāng)液體中某處的壓強(qiáng)低于當(dāng)時溫

18、度下的汽化壓當(dāng)液體中某處的壓強(qiáng)低于當(dāng)時溫度下的汽化壓強(qiáng)時，在此處將產(chǎn)生氣泡，這種景象稱為空化。強(qiáng)時，在此處將產(chǎn)生氣泡，這種景象稱為空化。 當(dāng)空化構(gòu)成的氣泡隨流挪動到高壓區(qū)時迅速破當(dāng)空化構(gòu)成的氣泡隨流挪動到高壓區(qū)時迅速破滅，這時將產(chǎn)生宏大的瞬間沖擊力，使相接觸的滅，這時將產(chǎn)生宏大的瞬間沖擊力，使相接觸的固體壁面產(chǎn)生剝蝕，此景象稱為空蝕。固體壁面產(chǎn)生剝蝕，此景象稱為空蝕。空化、空蝕空化、空蝕 1.4 1.4 延續(xù)介質(zhì)和理想液體的概念延續(xù)介質(zhì)和理想液體的概念假設(shè)液體是一種延續(xù)充溢其所占據(jù)空間的無空假設(shè)液體是一種延續(xù)充溢其所占據(jù)空間的無空隙的延續(xù)體。隙的延續(xù)體。 描畫液體運(yùn)動的一切物理量在空間和時描畫

19、液體運(yùn)動的一切物理量在空間和時間上延續(xù)，可利用延續(xù)函數(shù)的分析方法來研討間上延續(xù)，可利用延續(xù)函數(shù)的分析方法來研討液體的運(yùn)動規(guī)律。液體的運(yùn)動規(guī)律。1.4.1 1.4.1 延續(xù)介質(zhì)假定延續(xù)介質(zhì)假定 水利工程中的水流運(yùn)動都屬于大尺度的水利工程中的水流運(yùn)動都屬于大尺度的宏觀水流運(yùn)動，用延續(xù)介質(zhì)概念處置，精度滿宏觀水流運(yùn)動，用延續(xù)介質(zhì)概念處置，精度滿足工程要求。足工程要求。緣由緣由意義意義1.4.2 1.4.2 理想液體概念理想液體概念 忽略液體粘性并將不具有粘性的液體稱為理想忽略液體粘性并將不具有粘性的液體稱為理想液體。液體。 從理想液體入手來研討液體的運(yùn)動規(guī)律從理想液體入手來研討液體的運(yùn)動規(guī)律在某些情

20、況下可得到與實(shí)踐非常吻合的結(jié)果。在某些情況下可得到與實(shí)踐非常吻合的結(jié)果。實(shí)踐液體的運(yùn)動也往往以理想液體運(yùn)動規(guī)律為實(shí)踐液體的運(yùn)動也往往以理想液體運(yùn)動規(guī)律為根底加以修正。根底加以修正。意義意義1.5 1.5 作用于液體上的力作用于液體上的力 按作用的按作用的特點(diǎn)分特點(diǎn)分外表力外表力質(zhì)量力質(zhì)量力外表力是作用于液體的外表上，并外表力是作用于液體的外表上，并與受作用的外表面積成正比的力與受作用的外表面積成正比的力 按外表力的作用方按外表力的作用方向分向分法向力壓力法向力壓力切向力切向力質(zhì)量力是指經(jīng)過液體質(zhì)量而起作用，其質(zhì)量力是指經(jīng)過液體質(zhì)量而起作用，其大小與質(zhì)量成正比的力，重力、慣性力；大小與質(zhì)量成正比

21、的力，重力、慣性力； 質(zhì)量力大小的度量質(zhì)量力大小的度量總質(zhì)量力總質(zhì)量力單位質(zhì)量力單位質(zhì)量力作用于單位質(zhì)量液體作用于單位質(zhì)量液體上的質(zhì)量力上的質(zhì)量力假設(shè)一質(zhì)量為假設(shè)一質(zhì)量為m m的均質(zhì)液體，作用于其上的總的均質(zhì)液體，作用于其上的總質(zhì)量力為質(zhì)量力為F F，那么所受的單位質(zhì)量力為，那么所受的單位質(zhì)量力為 ，與加速度有一樣的量綱與加速度有一樣的量綱L/T2L/T2。假設(shè)總質(zhì)量力假設(shè)總質(zhì)量力F F在空間坐標(biāo)上的投影分別為在空間坐標(biāo)上的投影分別為FxFx、FyFy、FzFz、，單位質(zhì)量力在相應(yīng)坐標(biāo)上的投影為、，單位質(zhì)量力在相應(yīng)坐標(biāo)上的投影為X X、Y Y、Z Z，那么有，那么有Ffm,yxzFFFXYZmmm單位質(zhì)量力單位質(zhì)量力 1.6.1 實(shí)際分析法實(shí)際分析法 質(zhì)量守恒定律、能量守恒原理、動量定律、動質(zhì)量守恒定律、能量守恒原理、動量定律、動量矩定律量矩定律1.6.2 實(shí)驗(yàn)研討法實(shí)驗(yàn)研討法 1. 現(xiàn)場觀測實(shí)驗(yàn)原型觀測現(xiàn)場觀測實(shí)驗(yàn)原型觀測 2. 實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)1.6.3 數(shù)值計算法數(shù)值計算法 采用數(shù)值計算方法求解液體運(yùn)動的控制方程