水力學(xué)與橋涵水文課件

1、水力學(xué)與橋涵水文主講人：史曉星職稱：助教白城師范學(xué)院土木工程系水力學(xué)與橋涵水文主講人：史曉星職第一章 緒 論 1.1 水力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1.3 作用在流體上的力1.4 流體的力學(xué)模型第一章 緒 論 1.1 水力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史1.1水力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史水力學(xué)是研究流體的平衡和流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程實(shí)際中應(yīng)用的一門學(xué)科 水力學(xué)研究的對(duì)象是流體.水力學(xué)在許多工業(yè)部門都有著廣泛的應(yīng)用1.1水力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史水力學(xué)是研究流體的平衡水力學(xué)的發(fā)展古代水力學(xué)的情況 16世紀(jì)以后，西方資本主義處于上升階段，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有了很大的發(fā)展，對(duì)于流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2、的認(rèn)識(shí)才隨之有所提高 18至19世紀(jì)，沿著兩條途徑建立了流體運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)理論 水力學(xué)的發(fā)展古代水力學(xué)的情況一條途徑是一些數(shù)學(xué)家和力學(xué)家，以牛頓力學(xué)理論和數(shù)學(xué)分析為基本方法，建立了理想液體運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)理論，稱為“水動(dòng)力學(xué)”或古典流體力學(xué) 代表人物有伯努利（D.I.Bernouli）、歐拉（L.Euler）等一條途徑是一些數(shù)學(xué)家和力學(xué)家，以牛頓力學(xué)理論和數(shù)學(xué)分析為基本1738年伯努利給出理想流體運(yùn)動(dòng)的能量方程1738年伯努利給出理想流體運(yùn)動(dòng)的能量方程1755年歐拉導(dǎo)出理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程1755年歐拉導(dǎo)出理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程1821-1845年，納維埃（C.L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G

3、.Stokes）導(dǎo)出適用于實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)的納維埃-斯托克斯方程，即N-S方程1821-1845年，納維埃（C.L.M.H.Navier）另一途徑是一些土木工程師，根據(jù)實(shí)際工程的需要，憑借實(shí)地觀察和室內(nèi)試驗(yàn)，建立實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式，以解決實(shí)際工程問(wèn)題。這些成果被總結(jié)成以實(shí)際液體為對(duì)象的重實(shí)用的水力學(xué)代表人物有皮托（H.Pitot）、謝才（A.de Chezy）、達(dá)西（H.Darcy）等另一途徑是一些土木工程師，根據(jù)實(shí)際工程的需要，憑借實(shí)地觀察和1732年皮托發(fā)明了量測(cè)流體流速的皮托管1732年皮托發(fā)明了量測(cè)流體流速的皮托管1769年謝才建立了計(jì)算均勻流的謝才公式1769年謝才建立了計(jì)算均勻流的謝才公式

4、1856年達(dá)西提出了線性滲流的達(dá)西定律1856年達(dá)西提出了線性滲流的達(dá)西定律1883年雷諾（O.Reynolds）發(fā)表了關(guān)于層流、紊流兩種流態(tài)的系列試驗(yàn)結(jié)果，又于1895年導(dǎo)出了紊流運(yùn)動(dòng)的雷諾方程1904年普朗特（L.Prandtl）提出邊界層概念，創(chuàng)立了邊界層理論。這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計(jì)算實(shí)際物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力1883年雷諾（O.Reynolds）發(fā)表了關(guān)于層流、紊流兩側(cè)重于理論分析的流體力學(xué)稱為理論流體力學(xué)側(cè)重于工程應(yīng)用的流體力學(xué)稱為工程流體力學(xué)水力學(xué)與橋涵水文課件1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)慣性慣性是物體保持其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種性質(zhì)表示慣性大小的物理量是質(zhì)量，質(zhì)量的單

5、位為g或kg單位體積的質(zhì)量是密度，密度的單位為g/cm3或kg/m3水的密度 =1000/m3水銀的密度 =13.61000/m3均質(zhì)流體的密度非均質(zhì)流體的密度1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)慣性均質(zhì)流體的密度非水和空氣的密度（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）溫度T()水（/m3）空氣（/m3）0510152025303540999.91000.0999.7999.1998.2997.1995.7994.1992.21.2931.2701.2481.2261.2051.1851.1651.128水和空氣的密度（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）溫度水空氣0999.91.水力學(xué)與橋涵水文課件物體反抗改變?cè)羞\(yùn)動(dòng)狀態(tài)而作用于其他

6、物體上的反作用力稱為慣性力萬(wàn)有引力特性地球?qū)Φ厍虮砻娓浇矬w的引力稱為重力。用G表示。重力的大小稱為重量G=mg重量的單位為N，kN1N=1m/s2水力學(xué)與橋涵水文課件粘性流體具有流動(dòng)性流動(dòng)性是流體受切力作用發(fā)生連續(xù)變形的性質(zhì)這種變形亦稱為減切變形流體在流動(dòng)狀態(tài)下抵抗減切變形的性質(zhì)稱為流體的粘性 粘性牛頓內(nèi)摩擦定律 液體在作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰流層之間的切應(yīng)力與切應(yīng)變率成線性關(guān)系 牛頓內(nèi)摩擦定律 液體在作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰流層之間的切應(yīng)力與切動(dòng)力粘度的單位為Ns/m2運(yùn)動(dòng)粘度的單位為m2/s流體的粘度與流體的種類、溫度和壓強(qiáng)有關(guān)。但對(duì)某種流體而言，粘度值受溫度的影響較大 流體的運(yùn)動(dòng)粘度和動(dòng)力粘度 流

7、體的運(yùn)動(dòng)粘度和動(dòng)力粘度水和空氣的物理性質(zhì)溫度T()水的動(dòng)力粘度（10-3Ns/m2）水的運(yùn)動(dòng)粘度（10-6m2/s）空氣的動(dòng)力粘度（10-3Ns/m2）空氣的運(yùn)動(dòng)粘度（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.6水和空氣的物理性質(zhì)溫度水的動(dòng)力粘度水的運(yùn)動(dòng)粘度空氣的動(dòng)力粘度水力學(xué)與橋涵水文課件流速梯度可以表示為流體

8、的切應(yīng)變率或角變形率 流速梯度可以表示為流體的切應(yīng)變率或角變形率 凡是滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓 流體；反之為非牛頓流體 凡是滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓 流體；反之為非例 題兩平行平板間隙=1cm，水溫為20，下板固定不動(dòng)，上板以u(píng)=2m/s的速度向右運(yùn)動(dòng)。設(shè)流速沿間隙按線性分布。試求：（1）切應(yīng)力沿間隙的分布（2）薄板的面積為2m2，薄板的拖曳力。例 題兩平行平板間隙=1cm，水溫為20，下板固定不動(dòng)解：（1）查表得=1.00510-3Ns/m2， （2）F=T=A=0.2012=0.402N解：（1）查表得=1.00510-3Ns/m2，（2）壓縮性和膨脹性 液體只能承受壓

9、力，不能承受拉力體積壓縮系數(shù)E的單位為N/m2液體的壓縮性很小，一般可將水作為不可壓縮液體處理 的單位為m2/N 體積彈性模量壓縮性和膨脹性 E的單位為N/m2 的單位為m2/N體積膨脹系數(shù) 氣體具有顯著的壓縮性和膨脹性 當(dāng)氣體運(yùn)動(dòng)速度小于一定的速度，如50m/s，可不考慮其壓縮性體積膨脹系數(shù) 氣體具有顯著的壓縮性和膨脹性 表面張力特性液體表層的分子受到上下兩側(cè)分子的引力不同，在合引力的作用下，液體表面仿佛是一張拉緊的彈性膜。從宏觀上看，這種存在于液體表面上的拉力稱為液體的表面張力液體表面張力的大小可用表面張力系數(shù)表示，的單位為N/m由于表面張力的作用，管內(nèi)的液體表面會(huì)高于或低于管外的液面，稱

10、為毛細(xì)管現(xiàn)象流體分子間的吸引力稱為內(nèi)聚力，流體分子與固體壁面分子之間的吸引力稱為附著力 表面張力特性當(dāng)溫度為20時(shí)，水在玻璃管中的升高值的計(jì)算公式 計(jì)算公式中的單位以mm計(jì) 水銀在玻璃管中的降低值的計(jì)算公式當(dāng)溫度為20時(shí)，水在玻璃管中的升高值的計(jì)算公式 計(jì)算公式 1.3 作用在流體上的力表面力表面力是作用在流體表面或截面上且與作用面的面積成正比的力，表面力又稱面積力或接觸力表面力包括壓力和切力作用于單位面積上的壓力稱為壓強(qiáng)，以p表示 作用于單位面積上的切力稱為切應(yīng)力，以表示 壓強(qiáng)和切應(yīng)力的單位：N/m2（Pa），KN/m2（KPa） 1.3 作用在流體上的力表面力 作用于單位面積質(zhì)量力質(zhì)量力是作用于流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上且與質(zhì)量成正比的力對(duì)于均質(zhì)流體，質(zhì)量力與體積成正比，又稱體積力 或超距力質(zhì)量力包括重力和慣性力單位質(zhì)量所受到的質(zhì)量力稱為單位質(zhì)量力，用f表示 對(duì)于均質(zhì)流體 單位質(zhì)量力在直角坐標(biāo)上的投影分別為X，Y，Z質(zhì)量力 單位質(zhì)量力在直角坐標(biāo)上的投影分別為X，Y，Z1.4 流體的力學(xué)模型連續(xù)介質(zhì)模型流體的宏觀特性和微觀運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的概念：宏觀看非常小，可視為空間的一個(gè)點(diǎn)；微觀看又很大，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)包含足夠多的分子并保持著宏觀運(yùn)動(dòng)的的一切特性連續(xù)介質(zhì)模型將流體看作由無(wú)數(shù)沒(méi)有微觀運(yùn)動(dòng)