武大精品水力學(xué)課件 第1章 緒論-定稿課件

1、1水水 力力 學(xué)學(xué)21 1 緒論緒論l1.1 1.1 水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況l1.2 1.2 液體的主要物理性質(zhì)液體的主要物理性質(zhì)l1.3 1.3 作用在液體上的力作用在液體上的力l1.4 1.4 水力學(xué)的研究方法水力學(xué)的研究方法3l1.1 1.1 水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況l1.2 1.2 液體的主要物理性質(zhì)液體的主要物理性質(zhì)l1.3 1.3 作用在液體上的力作用在液體上的力l1.4 1.4 水力學(xué)的研究方法水力學(xué)的研究方法1 1 緒論緒論4水力學(xué)定義水力學(xué)定義研究研究 液體液體 平衡平衡 機械運動規(guī)律機械運動規(guī)律 應(yīng)用應(yīng)用 一門力學(xué)科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)課一

2、門力學(xué)科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)課對象對象內(nèi)容內(nèi)容課程性質(zhì)課程性質(zhì)所屬科學(xué)性質(zhì)所屬科學(xué)性質(zhì)液體處于靜止（相對靜止）狀態(tài)下，作用于液體上的各種作用力之間的關(guān)系液體在運動狀態(tài)時，作用于液體上的力與運動要素之間的關(guān)系，及運動的特征和能量轉(zhuǎn)換5l 本課程內(nèi)容：本課程內(nèi)容： 1 1 緒論緒論2 2 水靜力學(xué)水靜力學(xué)3 3 水動力學(xué)基礎(chǔ)水動力學(xué)基礎(chǔ)4 4 流動型態(tài)和水頭損失流動型態(tài)和水頭損失5 5 量綱分析和液流相似原理量綱分析和液流相似原理6 6 恒定管流恒定管流7 7 明渠恒定流動明渠恒定流動8 8 孔口出流、堰頂溢流和閘口出流孔口出流、堰頂溢流和閘口出流9 9 泄水建筑物下游的水流銜接與消能泄水建筑物下游的水流

3、銜接與消能10 10 有壓管道和明渠非恒定流有壓管道和明渠非恒定流11 11 滲流滲流理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)基本應(yīng)用基本應(yīng)用6l水利工程中常見的水力學(xué)問題：水利工程中常見的水力學(xué)問題： 水力荷載水力荷載水體對水工建筑物的作用力水體對水工建筑物的作用力 當關(guān)閉閘門，水庫蓄水時，當關(guān)閉閘門，水庫蓄水時，為了計算閘門的強度、剛度、為了計算閘門的強度、剛度、校核大壩的穩(wěn)定性，必須考校核大壩的穩(wěn)定性，必須考慮上下游水體對大壩和閘門慮上下游水體對大壩和閘門的作用力。的作用力。7當渲泄洪水時，必須確當渲泄洪水時，必須確定校核大壩所能夠通過定校核大壩所能夠通過流量，以確保大壩安全流量，以確保大壩安全泄洪；或已知泄量

4、，確泄洪；或已知泄量，確定大壩的溢流寬度。定大壩的溢流寬度。 泄水建筑物的過流能力泄水建筑物的過流能力l水利工程中常見的水力學(xué)問題：水利工程中常見的水力學(xué)問題：8由于大壩壅高水位，泄洪時，下泄的水流動能較大，由于大壩壅高水位，泄洪時，下泄的水流動能較大，會沖擊河床，危及大壩的安全。因此，必須采取工程會沖擊河床，危及大壩的安全。因此，必須采取工程措施，消耗過大的動能，減輕對河床的沖刷。措施，消耗過大的動能，減輕對河床的沖刷。 水能的利用與消耗水能的利用與消耗l水利工程中常見的水力學(xué)問題：水利工程中常見的水力學(xué)問題：9大壩建成后，水流會通過土壤、巖石中的縫隙形成滲流，對大壩建成后，水流會通過土壤、

5、巖石中的縫隙形成滲流，對壩基產(chǎn)生作用力，同時產(chǎn)生滲透變形，會危及大壩的安全。壩基產(chǎn)生作用力，同時產(chǎn)生滲透變形，會危及大壩的安全。 泄水建筑物的滲流問題泄水建筑物的滲流問題l水利工程中常見的水力學(xué)問題：水利工程中常見的水力學(xué)問題：10分析天然河道的洪水水面線，確定防洪堤防高程，分析天然河道的洪水水面線，確定防洪堤防高程，確定人工渠道的過流能力，如南水北調(diào)工程。確定人工渠道的過流能力，如南水北調(diào)工程。 水流的流動形態(tài)水流的流動形態(tài)河渠水面曲線計算河渠水面曲線計算l水利工程中常見的水力學(xué)問題：水利工程中常見的水力學(xué)問題：11 例如：黃河上高含沙問題例如：黃河上高含沙問題 河流泥沙河流泥沙l水利工程中

6、常見的水力學(xué)問題：水利工程中常見的水力學(xué)問題：12 水污染水污染l水利工程中常見的水力學(xué)問題：水利工程中常見的水力學(xué)問題：13水泵：葉片、轉(zhuǎn)輪體型水泵：葉片、轉(zhuǎn)輪體型水輪機：葉片、轉(zhuǎn)輪體型水輪機：葉片、轉(zhuǎn)輪體型蝸殼：蝸殼： 水力機械水力機械l水利工程中常見的水力學(xué)問題：水利工程中常見的水力學(xué)問題：14相傳四千多年前（公元前相傳四千多年前（公元前20702070，夏左右）大禹治水，夏左右）大禹治水春秋戰(zhàn)國末期（公元前春秋戰(zhàn)國末期（公元前221221前左右）都江堰，當時對堰流理論前左右）都江堰，當時對堰流理論有一定認識有一定認識秦始皇元年（公元前秦始皇元年（公元前246246）韓國水工鄭國主持興建

7、鄭國渠，大）韓國水工鄭國主持興建鄭國渠，大約與此同時，羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)。約與此同時，羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)。秦始皇二十八年秦始皇二十八年( (公元前公元前219)219)修建的靈渠，溝通長江水系和珠修建的靈渠，溝通長江水系和珠江水系的古運河江水系的古運河l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 古代中國水力學(xué)發(fā)展古代中國水力學(xué)發(fā)展15公元公元13631363年（元末）銅壺滴漏計算時間，當時已認識到孔口年（元末）銅壺滴漏計算時間，當時已認識到孔口出流和上游水位間存在一定的關(guān)系。出流和上游水位間存在一定的關(guān)系。明朝張季訓(xùn)提出明朝張季訓(xùn)提出“塞旁決以挽正流，以堤束水，以水攻沙塞旁決

8、以挽正流，以堤束水，以水攻沙”的治理黃河的措施。當時對流速與過水斷面成反比的連續(xù)方程的治理黃河的措施。當時對流速與過水斷面成反比的連續(xù)方程和一定量的水流能攜帶一定量的泥沙規(guī)律有一定認識。和一定量的水流能攜帶一定量的泥沙規(guī)律有一定認識。清朝初年，何夢瑤等人提出用過水斷面面積乘以流速計算流清朝初年，何夢瑤等人提出用過水斷面面積乘以流速計算流量的方法。量的方法。古代勞動人民懂得用水流的沖力帶動水車、水磨等水力機械。古代勞動人民懂得用水流的沖力帶動水車、水磨等水力機械。 古代中國水力學(xué)發(fā)展古代中國水力學(xué)發(fā)展l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 16 阿基米德阿基米德（ArchimedesArchimede

9、s，公元前，公元前28728721212） 古希臘學(xué)者古希臘學(xué)者阿基米德阿基米德在公元前在公元前250250年發(fā)表論文年發(fā)表論文論浮論浮體體，第一個闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體，第一個闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理在流體中所受浮力的基本原理阿基米德原理阿基米德原理 ; ;列奧納德列奧納德. .達達. .芬奇芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452Leonardo.da.Vinci,145215191519）設(shè)計建造一小型水渠，系統(tǒng)研究物體的沉浮、孔口設(shè)計建造一小型水渠，系統(tǒng)研究物體的沉浮、孔口出流、物體的運動阻力及管道、明渠中水流等問題出流、物體的運動

10、阻力及管道、明渠中水流等問題; ; 以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 17斯蒂文斯蒂文（S.Stevin,1548-1620S.Stevin,1548-1620）將用于研究固體平衡）將用于研究固體平衡的凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上的凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上; ;16531653年，年，帕斯卡帕斯卡（B. PascalB. Pascal）建立了平衡液體中壓）建立了平衡液體中壓強傳遞的規(guī)律巴斯卡定律，使水靜力學(xué)理論得到強傳遞的規(guī)律巴斯卡定律，使水靜力學(xué)理論得到進一步發(fā)展進一步發(fā)展; ;16431643年，年，托里拆利托里拆利（E.Torricel

11、liE.Torricelli）提出了液體孔口）提出了液體孔口出流關(guān)系式出流關(guān)系式; ; 以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 1816861686年，年，牛頓牛頓（NewtonNewton）提出了關(guān)于液體內(nèi)摩擦）提出了關(guān)于液體內(nèi)摩擦的假定和粘滯性的概念，建立液體的內(nèi)摩擦定律的假定和粘滯性的概念，建立液體的內(nèi)摩擦定律; ;17381738年，年，伯努里伯努里（D.BernoulliD.Bernoulli）建立了理想液體運）建立了理想液體運動的能量方程伯努里方程動的能量方程伯努里方程; ;17751775年，年，歐拉歐拉（L.EulerL

12、.Euler）建立了理想液體的運動方）建立了理想液體的運動方程歐拉運動微分方程程歐拉運動微分方程; ; 以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 1918431843年，年，納維納維(L.M.H.Navier)(L.M.H.Navier)和和斯托克斯斯托克斯(G.G.Stokes)(G.G.Stokes)建建立了實際液體的運動方程納維斯托克斯方程，奠定了立了實際液體的運動方程納維斯托克斯方程，奠定了古典流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)，使它成為力學(xué)的一個分支古典流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)，使它成為力學(xué)的一個分支; ;18561856年，年，達西達西(H.Dar

13、cy)(H.Darcy)建立了砂土滲流基本定律。首建立了砂土滲流基本定律。首先提出先提出: :通過試樣的流量與試樣橫斷面積及試樣兩端測壓通過試樣的流量與試樣橫斷面積及試樣兩端測壓管水頭差成正比，與試樣的高度成反比。管水頭差成正比，與試樣的高度成反比。納維斯托克斯 以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)達西l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 2017691769年年 ，謝才謝才（A.ChezyA.Chezy）在一系列渠道水流實測資）在一系列渠道水流實測資料基礎(chǔ)上料基礎(chǔ)上, , 提出明渠均勻流流速與流量的經(jīng)驗公式謝提出明渠均勻流流速與流量的經(jīng)驗公式謝才公式，以后又有確定謝才

14、系數(shù)的曼寧公式、巴普洛才公式，以后又有確定謝才系數(shù)的曼寧公式、巴普洛甫斯基公式甫斯基公式; ;17321732年，年，畢托畢托(H.Pitot)(H.Pitot)發(fā)明了量測水流流速的畢托管發(fā)明了量測水流流速的畢托管; ; 1797 1797年年 ，文丘里文丘里（G.B VenturiG.B Venturi）創(chuàng)造了量測管道流）創(chuàng)造了量測管道流量的文丘里管。量的文丘里管。 求解各種實際水力學(xué)問題的經(jīng)驗方法求解各種實際水力學(xué)問題的經(jīng)驗方法l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 21隨著現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)和新技術(shù)的迅速發(fā)展，以純理論隨著現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)和新技術(shù)的迅速發(fā)展，以純理論分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)，實驗為基礎(chǔ)的

15、實驗水力分析為基礎(chǔ)的古典流體力學(xué)，實驗為基礎(chǔ)的實驗水力學(xué)都不能滿足生產(chǎn)發(fā)展要求，逐漸形成了以理論和試學(xué)都不能滿足生產(chǎn)發(fā)展要求，逐漸形成了以理論和試驗研究結(jié)合的驗研究結(jié)合的現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué) 現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 2218831883年，年，雷諾雷諾(O.Reynolds)(O.Reynolds)通過試驗發(fā)現(xiàn)了液通過試驗發(fā)現(xiàn)了液流兩種流態(tài)層流和紊流。流兩種流態(tài)層流和紊流。18941894年，又提出了年，又提出了紊流的基本方程雷諾方程；紊流的基本方程雷諾方程；18911891年年 ，儒科夫斯基儒科夫斯基首先建

16、立了試驗風(fēng)洞。首先建立了試驗風(fēng)洞。19051905年，又提出了圓柱繞流的升力理論；年，又提出了圓柱繞流的升力理論； 現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 2319041904年，年，普朗特普朗特(L.Prantl)(L.Prantl)觀測分析了固體邊界對液觀測分析了固體邊界對液流的影響，首先提出液流邊界層概念，后來對層流流的影響，首先提出液流邊界層概念，后來對層流邊界層的研究，形成了邊界層理論，在流體力學(xué)、邊界層的研究，形成了邊界層理論，在流體力學(xué)、水力學(xué)研究歷史上，具有劃時代的意義。水力學(xué)研究歷史上，具有劃時代的意義。18911891年年 ，尼古拉

17、茲尼古拉茲（J.NikuradseJ.Nikuradse）德國學(xué)者分別對）德國學(xué)者分別對各種人工粗糙管道和明渠系統(tǒng)試驗研究。各種人工粗糙管道和明渠系統(tǒng)試驗研究。19381938年，年，蔡克士達蔡克士達進一步揭示了管道和渠道紊流阻進一步揭示了管道和渠道紊流阻力和水頭損失規(guī)律。力和水頭損失規(guī)律。 現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 24自上世紀自上世紀5050年代以來在科學(xué)技術(shù)的推動下，國內(nèi)外對水力年代以來在科學(xué)技術(shù)的推動下，國內(nèi)外對水力學(xué)中各個問題展開了廣泛的研究學(xué)中各個問題展開了廣泛的研究 建國以后水力學(xué)的發(fā)展建國以后水力學(xué)的發(fā)展 紊流邊界層理論紊

18、流邊界層理論 水工水力學(xué)水工水力學(xué) 管道和明渠非恒定流管道和明渠非恒定流 滲流滲流 高速水流（高速水力學(xué)）高速水流（高速水力學(xué)） 波浪運動波浪運動 相似理論等領(lǐng)域相似理論等領(lǐng)域 取得了豐碩成果，豐富和發(fā)展了水力學(xué)的內(nèi)容取得了豐碩成果，豐富和發(fā)展了水力學(xué)的內(nèi)容l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 25各種量測的試驗各種量測的試驗 儀器，得到進一步發(fā)展，例如，激光，儀器，得到進一步發(fā)展，例如，激光，PIVPIV測速等技術(shù)?，F(xiàn)在，測速等技術(shù)。現(xiàn)在， 水力學(xué)（工程流體力學(xué)）已水力學(xué)（工程流體力學(xué)）已成為一門理論、實驗和計算相結(jié)合的學(xué)科。成為一門理論、實驗和計算相結(jié)合的學(xué)科。同時，又出現(xiàn)了一些新的水力學(xué)分支

19、同時，又出現(xiàn)了一些新的水力學(xué)分支環(huán)境水力學(xué)環(huán)境水力學(xué) 隨機水力學(xué)隨機水力學(xué) 計算水力學(xué)計算水力學(xué) 建國以后水力學(xué)的發(fā)展建國以后水力學(xué)的發(fā)展l 水力學(xué)發(fā)展簡史水力學(xué)發(fā)展簡史 26l1.1 1.1 水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況l1.2 1.2 液體的主要物理性質(zhì)液體的主要物理性質(zhì)l1.3 1.3 作用在液體上的力作用在液體上的力l1.4 1.4 水力學(xué)的研究方法水力學(xué)的研究方法1 1 緒論緒論271.2.1 1.2.1 液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性 1.2.5 1.2.5 液體的壓縮性和膨脹性液體的壓

20、縮性和膨脹性 1.2.6 1.2.6 液體的表面張力液體的表面張力1.2.2 1.2.2 液體的慣性、質(zhì)量和密度液體的慣性、質(zhì)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 液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)1 1、液體的基本特征、液體的基本特征自然界物質(zhì)存在三種形自然界物質(zhì)存在三種形式式 固體固體 液體液體氣體氣體 流體流體29 固體固體 液體液體氣體氣體 固定形狀和體積內(nèi)部存在拉力、壓力和剪力固定形狀和體積內(nèi)部存在拉力、壓力和剪力 不能保持固定形狀，壓縮性小，不能承受拉力，不能保持固定形狀，壓縮性小，不能承受拉力，微弱剪力作用下，流體發(fā)生變

21、形和流動；靜止微弱剪力作用下，流體發(fā)生變形和流動；靜止狀態(tài)下，液體不能承受剪切力狀態(tài)下，液體不能承受剪切力 不能保持固定的體積和形狀可壓縮和膨脹不能保持固定的體積和形狀可壓縮和膨脹主要區(qū)別：變形主要區(qū)別：變形主要區(qū)別：壓縮性主要區(qū)別：壓縮性 1.2.1 1.2.1 液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)1 1、液體的基本特征、液體的基本特征30 液體由分子組成，分子之間存在空隙，介質(zhì)不連續(xù)，分液體由分子組成，分子之間存在空隙，介質(zhì)不連續(xù)，分子間距相當微小。現(xiàn)代物理學(xué)指出，常溫下，每立方厘米水子間距相當微小?，F(xiàn)代物理學(xué)指出，常溫下，每立方厘米水中，約含中，約含3 310102222個分

22、子，相鄰分子間距約個分子，相鄰分子間距約3 310108 8cmcm?？梢?，?？梢?，分子間距相當微小，在很小體積中，包含難以計數(shù)的分子。分子間距相當微小，在很小體積中，包含難以計數(shù)的分子。水力學(xué)中，把液體當作連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)液體是一種無間隙水力學(xué)中，把液體當作連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)液體是一種無間隙的充滿其所占據(jù)空間的連續(xù)介質(zhì)的充滿其所占據(jù)空間的連續(xù)介質(zhì) 2 2、連續(xù)介質(zhì)的概念、連續(xù)介質(zhì)的概念3108cm 1.2.1 1.2.1 液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)31 連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)的概念由瑞士學(xué)者歐拉（的概念由瑞士學(xué)者歐拉（EulerEuler）17531753年首先建立，年首先建立，這

23、一假定在流體力學(xué)發(fā)展上起到了巨大作用。這一假定在流體力學(xué)發(fā)展上起到了巨大作用。 如果液體視為連續(xù)介質(zhì)，則液體中一切物理量（速度、壓如果液體視為連續(xù)介質(zhì)，則液體中一切物理量（速度、壓強和密度等）可視為空間（液體所占據(jù)空間）坐標和時間的強和密度等）可視為空間（液體所占據(jù)空間）坐標和時間的連續(xù)函數(shù)。研究液體運動時，可利用連續(xù)函數(shù)分析方法。連續(xù)函數(shù)。研究液體運動時，可利用連續(xù)函數(shù)分析方法。 質(zhì)點質(zhì)點大量分子組成的液體微團，是連續(xù)介質(zhì)的最小單位。大量分子組成的液體微團，是連續(xù)介質(zhì)的最小單位。 1.2.1 1.2.1 液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)2 2、連續(xù)介質(zhì)的概念、連續(xù)介質(zhì)的概念3

24、2 單位單位量度物理量數(shù)值大小的標準量度物理量數(shù)值大小的標準 例如：長度單位（例如：長度單位（m），質(zhì)量（），質(zhì)量（kg），力（），力（N） 量綱量綱物理量的性質(zhì)物理量的性質(zhì) 國際單位制中的基本量綱：長度國際單位制中的基本量綱：長度L；時間；時間T；質(zhì)量；質(zhì)量M3 3、量綱和單位、量綱和單位 1.2.1 1.2.1 液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)液體的基本特征和連續(xù)介質(zhì)331.2.1 1.2.1 液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性 1.2.5 1.2.5 液體的壓縮性和膨脹性液體的壓縮性和膨脹性 1.2.6 1.2.6 液體

25、的表面張力液體的表面張力1.2.2 1.2.2 液體的慣性、質(zhì)量和密度液體的慣性、質(zhì)量和密度 1.2.3 1.2.3 重力和重度重力和重度34均質(zhì)液體：均質(zhì)液體：VM =式中，式中，MM為液體的質(zhì)量；為液體的質(zhì)量；V V為的體積為的體積 對于非均質(zhì)液體：對于非均質(zhì)液體： 0lim VVM=式中，式中， MM為任意微元的液體質(zhì)量；為任意微元的液體質(zhì)量； V V 為任意微元的液體體積。為任意微元的液體體積。量綱：量綱：=ML-3，單位：單位：kgm-3 M VM , V 慣性慣性液體保持原有運動狀態(tài)的性質(zhì)液體保持原有運動狀態(tài)的性質(zhì) 質(zhì)量質(zhì)量慣性大小的量度慣性大小的量度 M (kg) 密度密度單位體

26、積所包含的質(zhì)量單位體積所包含的質(zhì)量 1.2.2 1.2.2 液體的慣性、質(zhì)量和密度液體的慣性、質(zhì)量和密度351.2.1 1.2.1 液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性 1.2.5 1.2.5 液體的壓縮性和膨脹性液體的壓縮性和膨脹性 1.2.6 1.2.6 液體的表面張力液體的表面張力1.2.2 1.2.2 液體的慣性、質(zhì)量和密度液體的慣性、質(zhì)量和密度 1.2.3 1.2.3 重量和重度重量和重度36 重量重量液體所受的地球引力（重力）液體所受的地球引力（重力）G G = Mg, 式中式中g(shù) 為加速度。為加速度。 1.

27、2.3 1.2.3 重力和重度重力和重度 重度重度單位體積液體的重量（容重）單位體積液體的重量（容重）均質(zhì)液體：均質(zhì)液體： 或：或：VG gVMgVG 則則: :g 量綱：量綱： FL-3,單位：單位：Nm-3 或或 kNm-3 不同液體重度不同，不同液體重度不同， f (p,t) ，隨壓強和溫度的變化甚微，一，隨壓強和溫度的變化甚微，一般工程上視為常數(shù)。般工程上視為常數(shù)。 取一個標準大氣壓下的溫度為取一個標準大氣壓下的溫度為4蒸餾水計算，則蒸餾水計算，則 =1000kg/m3 ，= g 9800（Nm-3 ）9.8（kNm-3）。）。371.2.1 1.2.1 液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念

28、液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性 1.2.5 1.2.5 液體的壓縮性和膨脹性液體的壓縮性和膨脹性 1.2.6 1.2.6 液體的表面張力液體的表面張力1.2.2 1.2.2 液體的慣性、質(zhì)量和密度液體的慣性、質(zhì)量和密度 1.2.3 1.2.3 重力和重度重力和重度38從運動的液體中取出兩個相鄰的液層進行分析從運動的液體中取出兩個相鄰的液層進行分析uABABBAuABABuBA平板縫隙中的潤滑油流動平板縫隙中的潤滑油流動 兩個相鄰微元液層受力分析兩個相鄰微元液層受力分析靜止靜止狀態(tài)下：液體不能承受切應(yīng)力狀態(tài)下：液體不能承受切應(yīng)力運動運動狀態(tài)下：液

29、體具有抵抗剪切變形的能力狀態(tài)下：液體具有抵抗剪切變形的能力粘滯性粘滯性： 油、瀝青、糖水、（水）油、瀝青、糖水、（水） 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性39當液體質(zhì)點（液層）間存在相對運動時液體質(zhì)點（液層）間當液體質(zhì)點（液層）間存在相對運動時液體質(zhì)點（液層）間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對運動（液體連續(xù)變形）或產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對運動（液體連續(xù)變形）或 液體在相液體在相對運動狀態(tài)下抵抗剪切變形的能力，這種性質(zhì)稱液體對運動狀態(tài)下抵抗剪切變形的能力，這種性質(zhì)稱液體粘滯性粘滯性，此內(nèi)摩擦力稱為此內(nèi)摩擦力稱為粘滯力粘滯力 。內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力做功做功 能量能量損失損失1 1、粘滯性、粘滯性 因

30、因： 液體質(zhì)點（液層）間存在相對運動（快慢）液體質(zhì)點（液層）間存在相對運動（快慢） 果果：質(zhì)點間（液層）間存在內(nèi)摩擦力：質(zhì)點間（液層）間存在內(nèi)摩擦力 （1 1）方向方向 ：與該液層相對運動速度方向相反：與該液層相對運動速度方向相反 （2 2）大小大小 ：由牛頓內(nèi)摩擦定律決定：由牛頓內(nèi)摩擦定律決定 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性40根據(jù)前人的科學(xué)實驗研究，液層接觸面上產(chǎn)生的內(nèi)根據(jù)前人的科學(xué)實驗研究，液層接觸面上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力（單位面積上）大小，與液層之間的流速差成摩擦力（單位面積上）大小，與液層之間的流速差成正比，與兩液層距離成反比，同時與液體的性質(zhì)有關(guān)。正比，與兩液層距離成反

31、比，同時與液體的性質(zhì)有關(guān)。試驗成果寫成表達式為：試驗成果寫成表達式為：yudd 切應(yīng)力切應(yīng)力，（單位面積上的內(nèi)摩擦力），（單位面積上的內(nèi)摩擦力）2 2、牛頓內(nèi)摩擦定律、牛頓內(nèi)摩擦定律 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性41yud yuu+du2 2、牛頓內(nèi)摩擦定律、牛頓內(nèi)摩擦定律 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性 式中，式中，為液體的動力粘滯系數(shù)，為液體的動力粘滯系數(shù)，du/dy為流速梯度，為流速梯度，y 為垂為垂直于流速方向，直于流速方向，為切應(yīng)力，方向與作用面平行與相對運動為切應(yīng)力，方向與作用面平行與相對運動方向相反方向相反 。42yudd 2 2、牛頓內(nèi)摩擦

32、定律、牛頓內(nèi)摩擦定律 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性du/dydu/dy的進一步理解的進一步理解: : 剪切變形速度剪切變形速度43微元水體運動的示意圖微元水體運動的示意圖證明證明: : 液體的流速梯度即為液體的剪切變形速度液體的流速梯度即為液體的剪切變形速度 故故: :yutdddd ytuddd)dtan(d 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性dudtu+du u yud yd y d 44ytu)tan(ddddd 故故: :yutdddd 相鄰液層之間所產(chǎn)生的相鄰液層之間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與剪切變形速度成正比切應(yīng)力與剪切變形速度成正比tyudddd 所以所以

33、, , 液體的粘滯性可視為液體抵抗剪切變形的特性，剪切液體的粘滯性可視為液體抵抗剪切變形的特性，剪切變形越大，所產(chǎn)生內(nèi)摩擦力越大，對相對運動液層抵抗越大。變形越大，所產(chǎn)生內(nèi)摩擦力越大，對相對運動液層抵抗越大。 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性45牛頓內(nèi)摩擦定律分析：牛頓內(nèi)摩擦定律分析： 1. 動力粘度動力粘度（動力粘滯系數(shù)）（動力粘滯系數(shù)） 反映了粘性的強弱，與液體反映了粘性的強弱，與液體種類有關(guān)。種類有關(guān)。量綱：量綱：MT-1L-1，單位：，單位： Nsm-2 Pas， yudd /FdudyA dudy2.運動粘度運動粘度（運動粘滯系數(shù)）（運動粘滯系數(shù)）量綱：量綱：L2T-

34、1 ，單位：，單位： m2 /s/ 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性46 同一種液體中，粘滯系數(shù)同一種液體中，粘滯系數(shù)( ) = f (p,t) = 隨壓力和溫度隨壓力和溫度變化，但是隨壓力變化甚微，對溫度變化較為敏感。變化，但是隨壓力變化甚微，對溫度變化較為敏感。牛頓內(nèi)摩擦定律分析：牛頓內(nèi)摩擦定律分析： yudd 對于水，可采用下列經(jīng)驗公式：對于水，可采用下列經(jīng)驗公式： 20002210033701017750t.t. 式中，式中，t()水溫度，水溫度，（cm2/s) 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性47 水和空氣的運動粘滯系數(shù)隨溫度的變化曲線水和空氣的運動粘

35、滯系數(shù)隨溫度的變化曲線 可見：對于水（液體）隨溫度上升而減少，對于空可見：對于水（液體）隨溫度上升而減少，對于空氣其隨溫度上升增大。原因在于兩者分子結(jié)構(gòu)不同。氣其隨溫度上升增大。原因在于兩者分子結(jié)構(gòu)不同。 牛頓內(nèi)摩擦定律分析：牛頓內(nèi)摩擦定律分析： yudd 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性48 液體的分子間距比氣體的分子間距要小，相互間吸引力起液體的分子間距比氣體的分子間距要小，相互間吸引力起主要作用，當溫度升高時，間距增大，吸引力減小，因此同主要作用，當溫度升高時，間距增大，吸引力減小，因此同樣剪切變形速率所發(fā)生的切應(yīng)力隨之減小。樣剪切變形速率所發(fā)生的切應(yīng)力隨之減小。 氣體的

36、分子間距較大，吸引力影響很小，根據(jù)氣體分子運氣體的分子間距較大，吸引力影響很小，根據(jù)氣體分子運動理論，分子的動量交換頻率因溫度升高而加劇，切應(yīng)力隨動理論，分子的動量交換頻率因溫度升高而加劇，切應(yīng)力隨之增加。之增加。 牛頓內(nèi)摩擦定律分析：牛頓內(nèi)摩擦定律分析： yudd 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性493. 3.粘滯性對流動的粘滯性對流動的影響影響 形成流速不均勻分布形成流速不均勻分布 產(chǎn)生內(nèi)摩擦力產(chǎn)生內(nèi)摩擦力 內(nèi)摩擦力是阻力，耗能內(nèi)摩擦力是阻力，耗能牛頓內(nèi)摩擦定律分析：牛頓內(nèi)摩擦定律分析： yudd 4. 4.牛頓內(nèi)摩擦定律的牛頓內(nèi)摩擦定律的適用條件適用條件 液體做層流運動液

37、體做層流運動 牛頓流體牛頓流體 ( (圖示見下頁圖示見下頁) ) 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性50 適用條件適用條件：牛頓流體（牛頓流體（Newtonian fluid） 牛頓流體的適用條件牛頓流體的適用條件 du/dy1牛頓流體牛頓流體0理想賓漢流體理想賓漢流體 泥漿，血液等泥漿，血液等偽塑性流體偽塑性流體 尼龍，橡膠的溶液尼龍，橡膠的溶液膨脹性流體膨脹性流體生面團，濃淀粉等生面團，濃淀粉等dduy515. 5.理想液體理想液體和實際液體和實際液體 理想液體理想液體無粘性的液體，并不存在無粘性的液體，并不存在 研究理想液體的目的：研究理想液體的目的：簡化理論分析過程簡化理

38、論分析過程 近似應(yīng)用于粘度很小的實際液體近似應(yīng)用于粘度很小的實際液體牛頓內(nèi)摩擦定律分析：牛頓內(nèi)摩擦定律分析： yudd 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性6. 6.靜止液體靜止液體，無質(zhì)點相對運動，無粘性顯示，無質(zhì)點相對運動，無粘性顯示52圖圖 牛頓流體的適用條件牛頓流體的適用條件 du/dy1牛頓流體牛頓流體0理想賓漢流體理想賓漢流體 泥漿，血液等泥漿，血液等偽塑性流體偽塑性流體 尼龍，橡膠的溶液尼龍，橡膠的溶液膨脹性流體膨脹性流體生面團，濃淀粉等生面團，濃淀粉等理想液體理想液體 適用條件適用條件：牛頓流體（牛頓流體（Newtonian fluid） dduy531.2.1 1

39、.2.1 液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性 1.2.5 1.2.5 液體的壓縮性和膨脹性液體的壓縮性和膨脹性 1.2.6 1.2.6 液體的表面張力液體的表面張力1.2.2 1.2.2 液體的慣性、質(zhì)量和密度液體的慣性、質(zhì)量和密度 1.2.3 1.2.3 重力和重度重力和重度541. 1.壓縮性壓縮性： 當液體承受壓力后，體積要縮小，壓力撤出后也能恢復(fù)原當液體承受壓力后，體積要縮小，壓力撤出后也能恢復(fù)原狀，這種性質(zhì)稱為液體的彈性或壓縮性。液體的壓縮性大小狀，這種性質(zhì)稱為液體的彈性或壓縮性。液體的壓縮性大小用用體積壓縮

40、系數(shù)體積壓縮系數(shù)或或彈性系數(shù)彈性系數(shù)表示。表示。 1.2.5 1.2.5 液體的壓縮性和膨脹性液體的壓縮性和膨脹性2. 2.體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)： /ddVVppp+dpVV+dV圖圖: :液體體積的壓縮示意液體體積的壓縮示意 式中，式中， 為體積壓縮系數(shù)，為體積壓縮系數(shù)， 值越值越大，液體壓縮性越大。大，液體壓縮性越大。解釋：解釋：“”表示壓強增大，體積縮小，體積增表示壓強增大，體積縮小，體積增量量dV與壓強增量與壓強增量dp符號相反，為了保證符號相反，為了保證 是一個是一個非負數(shù)，前面冠以非負數(shù)，前面冠以“”。55 1 K單位：單位：Pa，kPa 物理意義物理意義：K 越大，液體越不容

41、易壓縮，越大，液體越不容易壓縮，K 表示液體絕表示液體絕 對不可壓縮。對不可壓縮。 3. 3.體積彈性系數(shù)體積彈性系數(shù)：液體是不可壓縮液體是不可壓縮 例如，在溫度例如，在溫度 t = 20，K2.10106 kPa即每增加一個大氣壓，水的體積相即每增加一個大氣壓，水的體積相對壓縮量僅兩萬分之一。對壓縮量僅兩萬分之一。特殊問題必須考慮液體壓縮性特殊問題必須考慮液體壓縮性例如，電站出現(xiàn)事故，突然關(guān)閉電站進水閥門，則進水管中壓力突然升高，例如，電站出現(xiàn)事故，突然關(guān)閉電站進水閥門，則進水管中壓力突然升高，液體受到壓縮，液體受到壓縮， 產(chǎn)生的彈性力對運動的影響不能忽視。產(chǎn)生的彈性力對運動的影響不能忽視。

42、注意 1.2.5 1.2.5 液體的壓縮性和膨脹性液體的壓縮性和膨脹性561.2.1 1.2.1 液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念液體的基本特征及連續(xù)介質(zhì)的概念 1.2.4 1.2.4 液體的粘滯性液體的粘滯性 1.2.5 1.2.5 液體的壓縮性和膨脹性液體的壓縮性和膨脹性 1.2.6 1.2.6 液體的表面張力液體的表面張力1.2.2 1.2.2 液體的慣性、質(zhì)量和密度液體的慣性、質(zhì)量和密度 1.2.3 1.2.3 重力和重度重力和重度57 定義定義：自由面上液體分子受到的極其微小的拉力；：自由面上液體分子受到的極其微小的拉力； 原因原因：自由表面上液體分子和兩側(cè)分子引力不平衡。：自由表面上

43、液體分子和兩側(cè)分子引力不平衡。 表面張力不在液體的內(nèi)部存在，只存在于液體表面表面張力不在液體的內(nèi)部存在，只存在于液體表面 液體的表面張力較小，一般對液體的宏觀運動不起作用可液體的表面張力較小，一般對液體的宏觀運動不起作用可忽略不計。忽略不計。 某些情況下要考慮。例如，水滴霧化某些情況下要考慮。例如，水滴霧化 1.2.6 1.2.6 液體的表面張力液體的表面張力58由于表面張力作用，玻璃管中液面和與之連同的大容器中的液由于表面張力作用，玻璃管中液面和與之連同的大容器中的液 面不在同一水平面上，這種現(xiàn)象叫面不在同一水平面上，這種現(xiàn)象叫毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象。 在實驗室量測流體壓強時，對測壓管的內(nèi)徑有何要

44、求？在實驗室量測流體壓強時，對測壓管的內(nèi)徑有何要求？ 土地鹽堿化現(xiàn)象的發(fā)生機理？土地鹽堿化現(xiàn)象的發(fā)生機理？h水水水銀水銀4coshgd思考思考毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象(capillarity)(capillarity)毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象盛有液體的細玻璃管叫盛有液體的細玻璃管叫做做測壓管測壓管。 1.2.6 1.2.6 液體的表面張力液體的表面張力 TTTTh 59l1.1 1.1 水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況水力學(xué)的任務(wù)與發(fā)展概況l1.2 1.2 液體的主要物理性質(zhì)液體的主要物理性質(zhì)l1.3 1.3 作用在液體上的力作用在液體上的力l1.4 1.4 水力學(xué)的研究方法水力學(xué)的研究方法1 1 緒論緒論601.31.3 作用于液體上的力作用于液體上的力 按物理按物理性質(zhì)性質(zhì)分類：分類： 按力的按力的作用方式作用方式分類：分類：重力重力慣性力慣性力粘滯力粘滯力彈性力彈性力表面張力表面張力表面力表面力質(zhì)量力質(zhì)量力61 質(zhì)量力質(zhì)量力：作用于液體每一個質(zhì)點上