水力學(xué)的研究對象與任務(wù)

1、 緒 論第一節(jié) 水力學(xué)的研究對象與任務(wù)一、水力學(xué)的研究對象水力學(xué)是研究液體機械運動規(guī)律及其工程應(yīng)用的一門科學(xué)。液體的種類很多，如水、石油、酒精、水銀等。由于工程實際中最為常見的液體是水，便以水作為研究液體的代表，故稱水力學(xué)。實際上，水力學(xué)的基本原理與水力計算的一般方法不僅適用于水，而且也適用于一般常見液體和可忽略壓縮性影響的氣體。事實上，當氣體的運動速度遠比音速為小時，在運動過程中其密度的變化很?。ó敋怏w運動速度小于68m/s時，密度的變化為1%；當氣體運動速度小于150m/s時，密度的變化也只有10%），當然可視為不可壓縮，及可以忽略壓縮性的影響。在實際工程中，燃氣的遠距離輸送需考慮氣體的壓

2、縮性、水擊現(xiàn)象需考慮水體的壓縮性、熱水采暖需考慮水的壓縮性和熱脹性。除此而外，絕大多數(shù)工程問題都可以不考慮壓縮性。二、課程性質(zhì)及結(jié)構(gòu)體系水力學(xué)是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，即專業(yè)基礎(chǔ)課，它介乎于基礎(chǔ)科學(xué)與工程技術(shù)之間。它一方面根據(jù)基礎(chǔ)科學(xué)中的普遍規(guī)律（如質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒等），結(jié)合水流特點，建立自己的理論基礎(chǔ)，另一方面又密切聯(lián)系工程實際，發(fā)展學(xué)科內(nèi)容。這也就是說，水力學(xué)是繼普通物理學(xué)理論力學(xué)之后開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，同時，在對液體的機械運動進行理論分析與數(shù)值計算的過程中，必然離不開高等數(shù)學(xué)這個有力的工具。此外，由于水力學(xué)在工程實際中的應(yīng)用相當廣泛，這就使水力學(xué)的基本概念、基本理論以及水力計算的基

3、本方法和實驗研究的基本技能成為學(xué)習(xí)許多專業(yè)課程（如農(nóng)田水利學(xué)、水工建筑物、水利工程施工、水電站、水泵站、地下水利用等）和從事專業(yè)研究的必備基礎(chǔ)。而工程實際中基本和典型的水力學(xué)問題的理論分析和計算方法也就成為了本課程的重要組成部分。 三.水力學(xué)的應(yīng)用水力學(xué)在工程實際中占的有相當重要的地位，廣泛用于水利工程，水力發(fā)電工程，水文水資源，農(nóng)田水利，機電排灌，河道整治，給排水，環(huán)境工程等領(lǐng)域。在水利工程的勘測設(shè)計，施工和運行管理等各個環(huán)節(jié)都可能遇到大量的水力學(xué)問題。 歸納起來：水利工程中經(jīng)常遇到的水力學(xué)問題主要有以下幾方面：（1）      建筑物（及河

4、槽）所承受的水力荷載。包括：靜水壓力、動水壓力、滲透壓力等，這是水工建筑物的穩(wěn)定分析和結(jié)構(gòu)計算必須的依據(jù)之一。（2）      建筑物（及河槽）的過水能力。輸水及泄水建筑物、河渠、管道等的斷面形式及尺寸的確定，是水力學(xué)的一項基本任務(wù)。（3）      水流的流動形態(tài)。研究和改善水流通過河渠、水工建筑物及其附近的水流形態(tài)，為合理布置建筑物，保證其正常運用提供理論依據(jù)。（4）      水流的能量消耗。分析水流能量轉(zhuǎn)換中的能量損失規(guī)律，研究充分利用水

5、流有效能量的方式方法和高效率消除多余有害動能的消能防沖措施。四、水力學(xué)的研究方法水力學(xué)的發(fā)展歷史表明了水力學(xué)的正確研究方法是：數(shù)理分析與實驗研究相結(jié)合。水力學(xué)理論的發(fā)展在相當程度上取決于試驗觀測水平，而水力學(xué)中實驗觀測的方法主要有以下三個方面：（1）原型觀測：對工程實踐中的天然水流直接進行觀測。（2）系統(tǒng)實驗：在實驗室內(nèi)對人工水流現(xiàn)象進行系統(tǒng)的研究。（3）模型試驗：模擬實際工程的條件，預(yù)演或重演水流現(xiàn)象來進行研究。這三個方面宜有計劃地進行，可以取得相互配合，補充和驗證的效果。掌握了相當數(shù)量的試驗資料之后，就可以根據(jù)機械運動的普遍原理，運用數(shù)理分析的方法，建立某一水流運動現(xiàn)象的系統(tǒng)理論，并在指導(dǎo)

6、實踐的過程中加以檢驗，進一步補充和發(fā)展。 第二節(jié) 液體的基本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)一、液體的基本特性自然界物質(zhì)分為氣體,固體和液體.固體的主要特性是有固定的形狀,在外力作用下不易變形.液體和氣體統(tǒng)稱為流體.其共同特性是易于流動。液體的真實結(jié)構(gòu)是：由彼此之間存在空隙并在不斷進行復(fù)雜的微觀運動的大量液體分子組成的聚集態(tài)。液體分子之間存在著間隙，每個分子又在不停地?zé)徇\動，由于分子在空間分布上的不連續(xù)性和熱運動在時間上的隨機性，致使其物理量在空間與時間上均呈現(xiàn)不連續(xù)變化，給研究液體的運動帶來了困難。但由于水力學(xué)研究的是液體的宏觀機械運動，即研究大量液體分子的統(tǒng)計平均效應(yīng)，因此，我們并不關(guān)心單個分子的微

7、觀運動，更何況液體分子之間的的間隙又是如此微小（例如，1cm3的水中大約有3.34×1022個水分子）,它與工程中所研究的運動液體的集合尺度相比,的確小到可以忽略不計的程度。既然如此，把液體看作是不連續(xù)的分子結(jié)構(gòu)也就沒有必要了。事實上，早在1753年,歐拉就已經(jīng)提出了連續(xù)介質(zhì)假定，他認為：液體是由無數(shù)質(zhì)點所組成，質(zhì)點毫無間隙地充滿所占空間，其物理性質(zhì)和運動要素都是連續(xù)分布的。連續(xù)介質(zhì)假定的引入對流體力學(xué)的發(fā)展起了巨大的推動作用。具體來講，如果我們把液體視為連續(xù)介質(zhì)的話，我們就擺脫了復(fù)雜的分子運動，而全力著眼于宏觀機械運動，此時，液流中的一切物理量均可視為空間位置坐標和時間的連續(xù)函數(shù)，

8、就可以充分地利用連續(xù)函數(shù)這一數(shù)學(xué)工具來解決液體的流動問題。這里所講的質(zhì)點是指由大量分子組成的具有質(zhì)量但無大小概念的。為研究問題方便，在連續(xù)介質(zhì)假定的基礎(chǔ)上，一般還認為液體具有均勻等向性，即液體是均質(zhì)的，各部分各個方向上的物理性質(zhì)均相同。因此，水力學(xué)中研究的液體的基本特征：易于流動 、不易壓縮、均勻等向、連續(xù)介質(zhì)。二、液體的主要物理力學(xué)性質(zhì)（一）慣性物體所固有的保持原有運動狀態(tài)的性質(zhì)成為慣性。慣性的大小以質(zhì)量M來度量。當液體受外力作用使運動狀態(tài)發(fā)生變化時，由于液體的慣性所引起的抵抗外界作用的反作用力稱為慣性力，慣性力的大小：。單位體積內(nèi)的質(zhì)量稱為密度，其單位為kg/m3。對均質(zhì)液體，對非均質(zhì)液體

9、，。不同種類的液體其密度值各不相同。同一種類的液體，其密度隨溫度和壓強的變化而變化，但這種變化很小。在水力學(xué)中，就把密度視為常數(shù)，采用一個標準大氣壓下，溫度為4的蒸餾水的密度作為計算值，即 。（二）萬有引力特性.任何物體之間的引力稱為萬有引力。地球?qū)ξ矬w的引力稱為重力。重力的大小以重量來度量G。單位體積內(nèi)的重量稱為容重，也稱為重度或重率，其單位為N/m3。對均質(zhì)液體，對非均質(zhì)液體，。不同種類的液體其容重值各不相同。同一種類的液體，其容重隨溫度和壓強的變化而變化，也隨緯度而略有變化，但這種變化很小，常忽略不計。在水力學(xué)中，通常把容重也視為常數(shù)，采用一個標準大氣壓下，溫度為4的蒸餾水的容

10、重作為計算值，即 。 例1：已知某液體的 ,求該液體的質(zhì)量和容重. 解： 因為 （三）粘滯性在運動狀態(tài)下，液體就具有抵抗剪切變形的能力，這就是所謂的粘滯性。粘滯性產(chǎn)生的物理原因是分子引力。粘滯性的存在是水流運動過程中能量損失的根源。當液體處于靜止狀態(tài)時，粘滯性表現(xiàn)不出來；當液體處于運動狀態(tài)時，粘滯性就表現(xiàn)為相鄰液層之間出現(xiàn)了抵抗相對運動的內(nèi)摩擦力。內(nèi)摩擦力的概念是牛頓于1686年提出的,并經(jīng)后人驗證，習(xí)慣上稱為牛頓內(nèi)摩擦定律。牛頓內(nèi)摩擦定律的內(nèi)容：作層流運動的液體，相鄰兩液層間單位面積上所作用的內(nèi)摩擦力（或稱粘滯力）與流速梯度成正比，同時與液體的性質(zhì)有關(guān)。其數(shù)學(xué)表達式為：，式中，為內(nèi)

11、摩擦切應(yīng)力；為動力粘滯系數(shù)，單位為N·s/m2或Pa·s ,物理單位為達因·秒厘米2,并常稱1達因·秒厘米2=1泊,即1泊=0.1 N·s/m2. 為流速梯度，實際上代表是液體微團的剪切變形速度牛頓內(nèi)摩擦定律的適用范圍：只適用于牛頓流體，即層流時內(nèi)摩擦切應(yīng)力與流速梯度成正比例的流體，亦即變形率為常數(shù)的液體。一般常見液體和氣體多屬于牛頓流體，如水、空氣等。其它的則稱為非牛頓流體，非牛頓流體屬于流變學(xué)的研究范疇，常見的非牛頓流體包括以下三種：（1）理想賓漢流體：當切應(yīng)力達到一定數(shù)值0時，才開始發(fā)生剪切變形，但變形率仍為常數(shù)，常見的如泥漿、血漿、高含

12、沙水流。（2）偽塑性流體：粘滯系數(shù)隨剪切變形速度的增加而減小，常見的有尼龍、橡膠溶液、顏料、油漆等。（3）膨脹性流體：粘滯系數(shù)隨剪切變形速度的增加而增加，常見的有生面團、濃淀粉糊等。值的大小反映了液體性質(zhì)對內(nèi)摩擦力的影響。粘滯性大的液體，值大。的數(shù)值隨液體種類的不同而不同，并隨溫度和壓強的變化而變化。其中，溫度對液體粘滯性的影響遠比壓強的影響大。水力學(xué)中, 液體的粘滯性還可以用運動粘滯系數(shù)來表示。運動粘滯系數(shù)，其單位為m2/s,習(xí)慣上把1cm2/s稱為1斯托克斯，1斯托克斯0.0001m2/s.值的大小仍隨液體種類的不同而不同，即使同一種液體，值也隨溫度和壓強的變化而變化，但隨壓強的變化甚微。

13、不同水溫時的運動粘滯系數(shù)可按下式計算：，式中，t按攝氏溫度（）代，為cm2/s。對于同一種類的流體，用動力粘滯系數(shù)與用運動粘滯系數(shù)判定其粘滯性的大小會得到相同的結(jié)論；但對不同種類的流體，其粘滯性的大小必須用動力粘滯系數(shù)來判定.（四）液體的壓縮性液體受壓體積縮小，壓力撤除之后又能恢復(fù)原狀的這種性質(zhì)稱為壓縮性或彈性。液體壓縮性的大小以體積壓縮系數(shù)或體積彈性系數(shù)K來表示。體積壓縮系數(shù)是液體體積的相對縮小值與壓強增值之比，即，由于dp與dV始終異號，為保證為正，前面加負號。值越大，液體越容易壓縮。的單位為m2/N。由于液體壓縮時，質(zhì)量并不改變，故。因而體積壓縮系數(shù)又可寫為。體積彈性系數(shù)。K值越大，液體

14、越不容易被壓縮。K值的單位是N/m2。液體種類不同，或K值不同。對同一種液體，或K值也會隨溫度和壓強而有所變化，但變化較小，一般可視為常數(shù)。 （五)表面張力特性    自由表面上的液體分子由于受到兩側(cè)分子引力不平衡，而承受的一個極其微小的拉力，稱為表面張力，其大小以表面張力系數(shù)來表示，單位為N/m，即自由表面單位長度上所承受的拉力值。表面張力系數(shù)的大小隨液體種類、溫度和表面接觸情況的變化而變化。第三節(jié)  理想液體理想液體-絕對不可壓縮，沒有粘滯性和表面張力的連續(xù)介質(zhì)。理想液體的概念的中心要點是沒有粘滯性，當然運動過程中也不會有能量損失。第四節(jié)  

15、;作用與液體上的力作用于液體上的力按其物理性質(zhì)可分為：慣性力、重力、粘滯力、彈性力、表面張力等。為便于分析問題，現(xiàn)按力的表現(xiàn)形式（或作用方式）將其分為質(zhì)量力和表面力兩大類。1 質(zhì)量力質(zhì)量力是指作用于液體的每一質(zhì)點上，并與受作用的液體的質(zhì)量成正比例的力。比如重力、慣性力就是質(zhì)量力。在均質(zhì)液體中，質(zhì)量與體積成正比例，故質(zhì)量力又稱為體積力。質(zhì)量力可以用作用于液體質(zhì)點上的總作用力F來表示，也可以用單位質(zhì)量力f來表示。單位質(zhì)量力是指單位質(zhì)量的液體所承受的質(zhì)量力，其單位為m/s2，與加速度單位相同。單位質(zhì)量力f沿三個坐標方向上的分量分別表示為X、Y、Z。2 表面力    表面

16、力是指作用于液體表面并與受作用的表面面積成比例的力。例如，邊界對液體的摩阻力，邊界反力、壓力等。表面力的大小除了用總作用力表示之外，還可以用單位面積上所受的表面力（即應(yīng)力）來量度，垂直于作用面的叫壓強，平行于作用面的叫切應(yīng)力，它們的單位均為N/m2。 第三節(jié) 作用在液體上的力無論在平衡（靜止）或運動狀態(tài)均受各種力的作用，按其物理性質(zhì)有慣性力，重力，摩擦力，彈性力和表面張力等。在水力學(xué)中按其作用形式和特性可分為： 一表面張力 作用在液體表面上的力與表面積成正比又叫表面力. 1>液體接觸面上產(chǎn)生的水壓力、壓力、壓強垂直作用面. 2>液層之間的內(nèi)摩擦力 、粘滯力 、平行作用面二.質(zhì)量力

17、由液體質(zhì)量與體積成正比,所以又叫體積力.作用在單位質(zhì)量上的質(zhì)量力為單位質(zhì)量力 在坐標軸上投影. 在軸上與鉛垂方向一致且與規(guī)定的方向相同為正,那么作用于單位質(zhì)量液體上的重力在各坐標的分力為零, .第四節(jié) 水力學(xué)的研究方法理論分析法以古典力學(xué)為基礎(chǔ),按其機械運動的普遍原理,通過數(shù)學(xué)推導(dǎo),建立液體平衡和運動的基本方程,(能量,動量,連續(xù)).但由于實際水流運動的多樣性和復(fù)雜性,對復(fù)雜的水流運動只靠理論上研究工作是很難得出答案的,需借助于試驗的方法來解決. 二,試驗研究1、原理觀測:對實際水流直接進行現(xiàn)場觀測,收集第一手的資料,來檢驗理論分析成果,總結(jié)探索水流運動的某些基本規(guī)律供依據(jù).2、模型試驗由水流相似的原理,按一定的比例,將實際工程的縮小為模型,在模型上預(yù)演原理上相應(yīng)的水流運動,然后再還原為原型的數(shù)值.3、數(shù)值計算法隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值計算成為水力