水力學(xué)課件1緒論

1、水水 力力 學(xué)學(xué)緒 論橋梁與結(jié)構(gòu)教研室: 李 林教學(xué)基本要求重點難點1、了解水力學(xué)課程的任務(wù)。3、理解液體5個主要物理性質(zhì)的特征，重點掌握液體的粘滯性， 包括牛頓內(nèi)摩擦定律及其適用條件。2、了解液體的基本特征，理解連續(xù)介質(zhì)和理想液體的概念和在水 力學(xué)研究中的作用。4、了解質(zhì)量力、表面力的定義。1、連續(xù)介質(zhì)和理想液體的概念。2、液體的基本特征和主要物理性質(zhì)，特別是液體的粘滯性和牛頓內(nèi) 摩擦定律及其應(yīng)用條件。主要內(nèi)容：液體的主要物理性質(zhì) 連續(xù)介質(zhì)與理想液體作用于液體上的力 水力學(xué)的任務(wù)水力學(xué)的應(yīng)用第一章 緒 論一、水力學(xué)的任務(wù)研究液體處于靜止和運動狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律，并運用這些規(guī)律解決工程實際問題的

2、一門科學(xué)。研究液體的平衡和機械運動的規(guī)律及其在實際工程中應(yīng)用。1.水力學(xué)的定義2.水力學(xué)的任務(wù)3.水力學(xué)的研究內(nèi)容水靜力學(xué)：液體平衡的規(guī)律，研究液體處于靜止（相對平衡）狀態(tài)時，作用于液體上的各種力之間的關(guān)系。水動力學(xué)：液體運動的規(guī)律，研究液體在運動狀態(tài)時，作用于液體上的力與運動要素之間的關(guān)系以及液體的運動特性與能量轉(zhuǎn)換等。水力學(xué)水力學(xué)水動力學(xué)水靜力學(xué)靜水壓力靜水壓強三大控制方程動量守恒動量守恒 動量方程動量方程能量守恒能量守恒 能量方程能量方程質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒 連續(xù)方程連續(xù)方程3.水力學(xué)的研究內(nèi)容二、液體的主要物理性質(zhì)流體的基本特征 1）固體：既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變形。 2）流

3、體：只能承受壓力，不能承受拉力與抵抗拉伸變形。 2.液體和氣體： （1）氣體易于壓縮，而液體難于壓縮； （2）液體有一定的體積，存在自由液面；氣體能充滿任意形狀的 容器，無一定的體積，不存在自由液面。 （3）均具有易流動性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會發(fā)生變形 或流動，故二者統(tǒng)稱為流體。1.液體和固體1. 慣性力、質(zhì)量與密度慣性力：當液體受外力作用使運動狀態(tài)發(fā)生改變時，由 于液體的慣性引起對外界抵抗的反作用力。= -Fma密度：單位體積液體所含有的質(zhì)量。mVr=一個標準大氣壓，溫度為4時，水密度：31000/kg mr=質(zhì)量：物體中所含物質(zhì)的數(shù)量。2. 萬有引力、重力與容重（重度）萬有引力：是

4、指任何物體之間相互具有吸引力的性質(zhì)， 其吸引力稱為萬有引力。重力：地球?qū)Φ厍虮砻娓浇矬w的引力。容重（重度）：單位體積液體所具有的重力。gr=GmgmggVVV3. 壓縮性與膨脹性壓縮性：液體受壓后體積縮小，壓力撤除后能恢復(fù)原狀。b= -pdVVdp-體積壓縮系數(shù)，單位m2/Nbp膨脹性：液體體積隨溫度升高而增加的性質(zhì)。b=tdVVdt-體積膨脹系數(shù)，單位 1/ bt液體的壓縮性和體積膨脹系數(shù)都很小，隨著壓強和溫度的變化，液體的密度僅有微小的變化，在多數(shù)情況下可忽略壓縮性和體積膨脹性的影響。牛頓平板實驗：將兩塊平板相隔一定距離水平放置，其間充滿某種液體，并使下板固定不動，上板以某一速度u0向右

5、平行移動。4. 易流動性與粘滯性粘滯性：液體處在運動狀態(tài)時，若質(zhì)點之間存在相對運 動，則質(zhì)點間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對運動， 液體產(chǎn)生抵抗剪切變形的性質(zhì)。易流動性：液體處在靜止狀態(tài)時，液體不承受切力，不 能抵抗剪切變形。實驗表明：內(nèi)摩擦力（粘滯力）duFdy流速梯度4. 易流動性與粘滯性牛頓內(nèi)摩擦定律：運動流體所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力F的大小與垂直于流動方向的速度梯度du/dy成正比，與接觸面積A成正比，與流體的種類有關(guān)，而與接觸面上壓強P 無關(guān)。m=duFAdytm=dudyF 流體層接觸面上的內(nèi)摩擦力，NA流體層間的接觸面積，m2du/dy垂直于流動方向上的速度梯度 動力粘滯系數(shù)動力粘滯系數(shù)：反映液

6、體的性質(zhì)對摩擦力的影響 。粘性大的液體值大，粘性小的液體值小。單位：N S /m2或Pa S 。mur=運動粘度20.0177510.03370.000221n=+tt水的運動粘度4. 易流動性與粘滯性牛頓液體與非牛頓液體 理想賓漢流體 牛頓流體 偽塑性流體 膨脹性流體 BCADdu/dyO1把符合牛頓內(nèi)摩擦定律（任一點上的切應(yīng)力都同剪切變形速率呈線性函數(shù)關(guān)系）的液體稱為牛頓液體（屬水力學(xué)研究范疇），反之稱為非牛頓液體。A線：牛頓液體，液體種類、溫度一定時，u=const ，切應(yīng)力與剪切變形速度成正比。B線：理想賓漢液體，泥漿、血漿C線：偽塑性流體，如顏料、油漆 D線：膨脹性流體，如濃淀粉糊等

7、5. 表面張力與毛細現(xiàn)象表面張力：自由表面上液體分子受兩側(cè)分子引力不平衡， 使自由面上液體分子受有極其微弱的拉力。表面張力僅在自由表面存在，液體內(nèi)部并不存在。毛細現(xiàn)象：將細管豎直插入液體，由于表面張力的作用， 細管中液面會發(fā)生上升或下降的現(xiàn)象。附著力內(nèi)聚力（表面張力），液面上升附著力內(nèi)聚力（表面張力），液面下降三、連續(xù)介質(zhì)與理想液體 不論液體體積大小如何，既不存在孔隙，也不能有局部的過密現(xiàn)象，都是密密相連，毫不間斷的物質(zhì)。1.連續(xù)介質(zhì)2.理想液體 理想液體是一種假想的液體，僅有質(zhì)量和重量，沒有粘滯性、沒有表面張力，不可壓縮、也不會膨脹。理想液體與連續(xù)介質(zhì)假定是以后推導(dǎo)液體運動三大方程的基礎(chǔ)。

8、意義：使描述液體運動的物理量在空間和時間上連續(xù)，故可用連續(xù)函數(shù)的分析方法來研究液體運動。 四、作用于液體上的力 1. 質(zhì)量力1）定義：作用于隔離體內(nèi)質(zhì)點上的力，與質(zhì)量成比例。2）常見的質(zhì)量力：重力、慣性力。3）單位質(zhì)量力：單位質(zhì)量流體所受到的質(zhì)量力。 =Ffm單位：m/s ，與加速度單位一致。 問題1：比較重力場（質(zhì)量力只有重力）中，水和水銀所受的單位質(zhì) 量力f水水和f水銀水銀的大??？ A. f水水f水銀水銀； D、不一定。 問題2：試問自由落體和加速度a向x方向運動狀態(tài)下的液體所受的單 位質(zhì)量力大?。╢X. fY. fZ）分別為多少？ 自由落體：XY=0，Z=0。加速運動：X=-a，Y=0，

9、Z=-g。 A. f水水f水銀水銀； D、不一定。 2. 表面力1）定義：作用于液體的表面的力，與作用面積成比例。2）常見的表面力：摩擦力、水壓力、邊界對液體的反作用力3）表面力按作用方向可分為： 壓力： 垂直于作用面。 切力： 平行于作用面。 4）應(yīng)力：單位面積上的表面力。 壓強 0limDD=DAPpA切應(yīng)力 0limtDD=DATAFPTAn法向應(yīng)力周圍流體作用的表面力切向應(yīng)力例題1：一底面積為40 45cm，高為1cm的木塊，質(zhì)量為5kg，沿著 涂有潤滑油的斜面向下作等速運動，如圖所示，已知木塊運 動速度u =1m/s，油層厚度d =1mm，由木塊所帶動的油層的運 動速度呈直線分布，求

10、油的粘度。 解：等速 0=sa由牛頓定律： 0=sFsm asin0qt-=m gAtmmd=duudy（呈直線分布） 5arctan22.6212q=2sin0.105/q dm=m gNsmAu例題2：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長度L=14cm，活塞往復(fù)運動的速度為1m/s，潤滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。dDL解：m=duFAdy20.11960.140.053AdLmpp=創(chuàng)=31010510() / 2(0.120.1196) / 2-=-duvsdyDd30.0530.1 5 1026.5FN=創(chuàng)例3：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計，外筒固定，

11、內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實驗液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，內(nèi)筒高h=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭矩M=0.0045Nm。求該實驗液體的粘度。hnr1r2解：1210wtmm-=-rdudyrr260npw=11120.0045MArr h rttp=鬃=0.952Pa sm=五、水力學(xué)的應(yīng)用高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭最早的高爾夫球現(xiàn)在的高爾夫球目的：使球飛得更遠?？蓽p少空氣阻力，增加球的升力。飛的更遠：球前方有高壓區(qū)?？諝饬鹘?jīng)球前緣再到后方時與球體分離。球后方有紊流尾流區(qū)，氣流起伏擾動，導(dǎo)致后方壓力較低。尾流范圍會影響阻力的大小。

12、通常尾流范圍越小，球體后方的壓力就越大，空氣對球的阻力就越小。凹坑使空氣形成一層緊貼球面的薄紊流邊界層，使平滑的氣流順著球多往后走，減小尾流范圍。故阻力較小。飛的更高：凹坑會影響球的升力。球的自旋使球下方的氣壓比上方高，可產(chǎn)生往上的推力。球的自旋大約提供一半的升力。另外一半來自小凹坑，它可以提供最佳的升力。汽車阻力來自前部還是后部？ 汽車發(fā)明于19世紀末，當時認為汽車阻力主要來自前部對空氣的撞擊，因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)約為0.8。實際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力。 20世紀30年代起，人們開始運用流體力學(xué)原理改進汽車尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲型，阻力系數(shù)降

13、至0.6。20世紀5060年代改進為船型，阻力系數(shù)為0.45。 80年代經(jīng)過風(fēng)洞實驗系統(tǒng)研究后，改進為魚型，阻力系數(shù)為0.3。 后進一步改進為楔型，阻力系數(shù)為0.2。 90年代后，科研人員研制開發(fā)的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。都江堰工程：主要有魚嘴（分水工程）、飛沙堰（溢洪排沙工程） 、寶瓶口（引水工程）三大部分構(gòu)成，科學(xué)地解決了江水自動分流、自動排沙、控制進水流量等問題。 內(nèi)江外江金剛堤外江內(nèi)江金剛堤飛沙堰魚嘴外江內(nèi)江寶瓶口安瀾竹索橋金剛堤魚嘴：分水工程，位于江心，把岷江分成內(nèi)外二江。外江在西，是岷江正流，用于行洪；內(nèi)江在東，是人工引水總干渠，用于灌溉。 寶瓶口：節(jié)制水流大小，控制內(nèi)

14、江進水量。內(nèi)江水經(jīng)寶瓶口流入，灌溉成都平原農(nóng)田；洪水時內(nèi)江水位提升高過飛沙堰，洪水進入外江流走，加上寶瓶口對水流的約束，達到防洪的作用。 飛沙堰：內(nèi)江的溢洪排沙通道。是金剛堤下段的一個缺口，堰頂高過河床2m。將超過需要的江水自行排到外江，免受洪澇；又能將水中的砂石利用離心力排到外江，避免淤塞內(nèi)江、寶瓶口和灌區(qū)。水利工程都江堰新安江水庫大壩水利水電工程水對水工建筑物的作用力問題水工建筑物下游的消能問題水工建筑物的過水能力問題二灘水電站對撞消能小浪底水庫泄洪水對水工建筑物的作用力問題水工建筑物下游的消能問題水工建筑物的過水能力問題水利水電工程三峽大壩泄洪水對水工建筑物的作用力問題水工建筑物下游的消

15、能問題水工建筑物的過水能力問題水利水電工程真空輸水：浙江杭州蕭山區(qū)黃石垅水庫大壩上，世界上最大直徑的虹吸管(右側(cè)直徑1520mm、左側(cè)600mm)，虹吸高度均為8m，可源源不斷地自動抽吸引水。獲吉尼斯世界紀錄 。市政工程水工建筑物的過水能力問題市政工程水工建筑物的過水能力問題我國最大的倒虹吸管大壩河倒虹吸管橋 曲龍溪倒虹吸管輸運工程水工建筑物的過水能力問題輸運工程水工建筑物的過水能力問題交通土建工程水工建筑物的過水能力問題河渠水面曲線問題美國美國塔科馬大橋塔科馬大橋: :主跨主跨853m，寬跨比，寬跨比1:79，高跨比為，高跨比為1:350。大橋建成后即顯柔度太大，。大橋建成后即顯柔度太大，最初在風(fēng)中行車的震蕩還是豎向的，使用幾個月后，震蕩突然變?yōu)榕まD(zhuǎn)，最初在風(fēng)中行車的震蕩還是豎向的，使用幾個月后，震蕩突然變?yōu)榕まD(zhuǎn)，引起各國學(xué)者大力研究風(fēng)振問題。引起各國學(xué)者大力研究風(fēng)振問題。照片說明中跨的扭曲運動導(dǎo)致它首先破壞扭轉(zhuǎn)最大時，右邊人行道比左邊高出8.5m裝配