《水力学》(课件)讲稿1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,水 力 学,水力学是什么样的学科,为什么要学习水力学,水力学是水利类专业的一门主要专业基础课,如何学习水力学,上述三个问题将在后面叙述,第一章 绪 论,定义,：水力学是研究液体,(,流体,),机械运动及其在工程实际中应用的一门技术基础学科。它是力学的一个分支。,对象,：包括液体和气体在内的流体。,任务,： 以实验与理论分析的方法研究流体处于平衡和流体处于运动时的规律，以及在工程实际的应用。,水力学是什么样的学科,基本规律,：, 流体处于平衡状态时，研究作用于流体 上各种力之间的关系，以及流体平衡时的条件等；, 流体处于运动状态时，研究作用于流体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特性和能量转换等等。,特点,：,将流体的运动作为,宏观机械,运动进行研究,而不是作为,微观分子,运动来研究,研究内容,：,运用物理和理论力学中的质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本规律来研究流体流动,从能量的转换、热量和异质的扩散等方面探讨流体流动的内部结构和形态,（对于气体，还需运用物理和热力学中关于热能和机械能转化等的基本规律）,前续课程,：,高等数学,-,描述和分析流体流动的主要手段和工具,物理学、理论力学和热力学,-,描述流体流动的理论基础,水力学（工程流体力学）作为一门技术性学科，在工程实际中有着广泛的应用。如：,水利工程中的农田水利、水力发电、水工建筑及施工、机电排灌；,土木工程中的给水排水、采暖通风等行业，以及建筑物的稳定性等；,电力工程中的水电站、热电站、核电站和地热电站等；,航空航天工业中的飞机、火箭和导弹等各种飞行器的运行环境都在大气中；,交通运输业中的汽车、轮船等的运行环境为大气，以及体育行业中的球类、游泳等与流体有关；,为什么要学习水力学,机械工业中，大量遇到的润滑、冷却、液压传动、气体传动以及液压和气体控制等；,化学工业中大部分化学工艺流程都伴随有化合物的化学反应、传质和传热的流动问题；,石油工业中的油、气和水的渗流、自喷、抽吸和输送问题；,海洋中的波浪、环流、潮汐；,大气中的气旋、环流、季风等；,上述行业都存在流体力学的问题，都需根据流体力学的基本原理进行研究和解决。,展示补充内容,1,注意复习以往学的高等数学、理论力学的内容。,因为流体力学要有较好的数理基础。,2,多看、多想、多问，勤做练习。,对于流体力学的一些基本理论要在理解的过程中牢记。,如何学习水力学,第一节 流体与连续介质假设,一、 流体的基本特性,固体、液体和气体三种物质状态,三种物质的微观特性,固体,：分子间距较小，内聚力大，分子间相互移动的可能性小。,液体,：分子间距较大，内聚力较小，分子间相互移动的可能性较大 。,气体,：分子间距离最大，内聚力最小。分子间相互移动的可能性最大 。,三种物质的宏观特性,固体,有固定的体积、形状；在一定范围内能抵抗拉力、压力和切力而不变形,液体,有固定体积、无形状；可承受压力，不能抵抗拉力和切力，再微小只要时间足够将发生变形,气体,无固定体积、无形状；可承受压力，不能抵抗拉力和切力，同于液体将发生变形,易流动性：具有无固定形状并且不能承受拉力和切力的特性。,液体和气体是具有易流动性的物质。,流体：只要具有易流动性特性的物质可定义为流体。,液体和气体都具有易流动性，可称为流体。,另外等离子体、熔化的金属也属于流体 。,液体和气体有很大的区别,如：液体体积变化与温度无关,气体体积变化与温度、压强都有关,液体和气体性质的区别在于分子的间距和内聚力的大小。,液体的分子距和分子的有效直径差不多相等，作力大，内聚力较大，压缩性小。,气体的分子距比分子的平均直径约大十倍。作力小，内聚力较小，压缩性大。,粘滞性,-,也与液体和气体有关,二、连续介质假设（概念、假说）,从,微观角度,看，流体和其他物体一样，都是由大量作随机运动的分子组成，分子之间分布是不连续分布的，并且有孔隙。分子之间相互碰撞，交换着动量和能量。,从,宏观角度,看，用仪器和肉眼观察所见流体的流动是均匀的和连续的，反映流体运动特征的物理量是连续的，并且这些所观察的物理量是确定的和确实存在的。,从微观和宏观来看，可见流体所反映的,微观结构和运动在时间和空间上都充满着,不均匀性、离散性和随机性,；,宏观结构和运动在时间和空间上呈现出,均匀性、连续性和确定性,。,这两种如此不同的特性，而又和谐地统一在流体这个物质中，形成了流体运动的两个重要方面。,这是一个矛盾。 也给我们提出一个问题：,从宏观角度如何说明微观问题，如,质点,的概念,1.,几何问题？,2.,物理量问题？,质点的几何问题？,是否会落在分子的空隙间。,质点的物理量问题,？,这个物理量是单个分子，还是分子团所贡献的？随机性和确定性等问题怎样解释。,为了解决这个矛盾、问题，,1753,瑞士学者欧拉提出了连续介质的假说：,假设流体是一种连续充满其的占所空间毫无空隙的连续体,。,换句话说：流体是由流体质点连续而没有间隙组成的。,根据连续介质的概念,流体完全被质点所充满，是质点的连续体。,作为被研究的流体中最基本要素的,流体质点,，是指微观上充分大，宏观上充分小的,分子团,微团,。,对于质点这个在宏观上非常小的体积内，微观中含有大量的分子，这些分子的运动具有统计平均的特性，使得这个质点所表现的物理量在宏观上是确定的。,现在的物理学研究证实了这一点,例如边长,10,-3,cm,的立方体，容积为,10,-9,cm,3,，在宏观上是非常小的一个点，而在这个体积内，在标准状态下，却包含有,2.6910,10,个气体分子。,关于水分子，在,1cm,3,的体积内，水的分子数为,3.3410,22,个。平均分子距约为,3.110,-8,cm,在,10,-6,秒这个对宏观来说非常短的时间尺度内，在,10,-3,cm,3,体积内的气体分子互相碰撞的次数将达,10,20,次，这个时间尺度对微观来说是足够长的。,微团平均速度,=,质点速度,其中 为分子个数， 为单个分子速度,可见用连续介质的概念作为水力学（工程流体力学）的基本假设是合理的。,由于连续介质认为流体质点是连续而不间断的紧密排列，那么表征流体特性的各物理量在时间和空间上是连续变化的。,也就是说这些物理量是空间坐标和时间的单值连续函数。因此，可以利用以,连续函数,为基础的高等数学来解决工程流体力学的问题。,如质点流速,场,数学上称为“场”,当然，流体连续介质的概念 对某些问题却是不适用的 。 如高空飞行的火箭、稀薄气体等不适用。,第二节 流体的主要物理性质,流体的运动形态和运动规律，除了与边界等外部影响因素有关外，还取决于流体本身的物理性质和特征。,一、流体的密度和重度,1.,流体的密度,2.,流体的重度,质量是物质的一个基本属性，质量与物体的惯性和重量紧密相连。,质量是物体惯性大小的量度，质量越大，惯性则越大。,流体所具有的质量，可用密度 来表征。密度 的定义是单位体积的流体所具有的质量。,均质流体,非均质流体,重量,G,重度,关系,2.,液体的相对密度,(,比重,),表,1-1,水的基本物理参数（一个标准大气压时）,水温,密度,r,(,kg,m,3,),动力粘度,m,(,10,-3,Pa,s,),运动粘度,n,(,10,-6,m,2,/s,),体积模量,K,(,10,9,Pa,),表面张力系数,s,(,N,m,),0,999.9,1.792,1.792,2.04,0.0756,5,1000.0,1.519,1.519,2.06,0.0749,10,999.7,1.308,1.308,2.11,0.0742,15,999.1,1.140,1.141,2.14,0.0735,20,998.2,1.005,1.007,2.20,0.0728,25,997.1,0.894,0.897,2.22,0.0720,30,995.7,0.801,0.804,2.23,0.0712,40,992.2,0.656,0.661,2.27,0.0696,50,988.1,0.549,0.556,2.23,0.0679,60,983.2,0.469,0.477,2.28,0.0662,70,977.8,0.406,0.415,2.25,0.0644,80,971.8,0.357,0.367,2.21,0.0626,90,965.3,0.317,0.328,2.16,0.0608,100,958.4,0.284,0.296,2.07,0.0589,表,1-2,空气的基本物理参数（一个标准大气压时）,温度,密度,r,(,kg,m,3,),动力粘度,m,(,10,-5,Pa,s,),运动粘度,n,(,10,-5,m,2,/s,),-40,1.515,1.49,0.98,-20,1.395,1.61,1.15,0,1.293,1.71,1.32,10,1.248,1.76,1.41,20,1.205,1.81,1.50,30,1.165,1.86,1.60,40,1.128,1.90,1.68,60,1.060,2.00,1.87,80,1.000,2.09,2.09,100,0.946,2.18,2.31,200,0.747,2.58,3.45,二、流体的压缩性,流体受压力作用时体积减少、密度增大，当压力撤除后可恢复原体积，这个性质称为流体的压缩性，也称弹性,注意流体中的液体和气体的压缩性是有区别的,1.,液体的压缩性,液体的压缩性可用体积压缩系数 来表示。,其含义是，在温度不变的条件下，压强每增加一个单位，液体体积的相对变化量。,(,虎克定律,),其中体积弹性模量,水的体积压缩系数是很小的 。,当压强改变一个大气压时，液体体积相对压缩量约为二万分之一。,2,液体的膨胀性,液体的膨胀性可用体积膨胀系数 来表示。,其含义是，在压强不变的条件下，温度每增加,1,，液体体积的相对变化量。,3.,气体的压缩性,气体的密度随着温度和压力的变化而变化。气体的密度、温度和压力之间的关系可由,完全气体状态方程,来确定,物理中称为,理想气体状态方程,不可压缩流体,的假设,一般来说，液体和气体（流体）的密度，都含随流体的压力和温度发生变化。因此对于流体，不论是气体还是液体都是可压缩的。,从前面的讨论可知，液体的压缩性很小 。,因此，在多数情况下，我们可以忽略液体的压缩性的影响，认为在任何情况下，液体的密度和重度为常数。这样可将液体看作,不可压缩流体,。,气体一般来说，压缩性影响很大。通常作为,可压缩流体,。 但有例外（如低速气流）。,三、 流体的粘滞性,1.,内摩擦力与牛顿内摩擦定律,对于,流动,着的流体，若流体质点之间由于,相对运动,的存在，所产生,内摩擦力,以,抵抗其相对运动,的性质，称为流体的,粘滞性,，所产生的内摩擦力也称为,粘滞力,，或,粘性力,。,流体的粘滞性是使运动的流体产生机械能损失的根源,牛顿根据大量的实验研究，提出了,牛顿内摩擦定律,：,认为当流动的流体内部各层间发生相对运动时，两相邻流层间所产生的内摩擦力 的大小与流体的粘滞性、反映相对运动的流速梯度 以及接触面面积 成正比，而与接触面上的压力无关。,式中 为表征流体粘滞性大小的比例系数， 为粘滞,(,内摩擦,),切应力。,反映相对运动的流速梯度 实际表示了流体微团的剪切变形速度,u,+d,u,u,d,y,d,a,d,u,d,t,图,1-3,流体的剪切变形 示意图,内摩擦力和切应力与流体微团的剪切变形速率成正比,流体层之间有相对运动的同时，也存在剪切变形，则流层之间会产生内摩擦力以抵抗剪切变形。,粘滞性的另一表述,2.,粘度,(,粘性系数,),比例系数 为流体粘滞性的量度，称为粘性系数或粘度,称为动力粘性系数或动力粘度。,单位是 或 ，含有动力学量纲 。,由于 ， 可称为运动粘性系数,单位是 ，只含有运动学量纲 。,粘性系数的值越大，流体的粘滞性作用越强。,液体的粘性系数随温度的升高而,减小,；,气体的粘性系数随温度的升高而,增大,。,粘性系数取值：查表、经验公式（如式,(1-2-16),的 ）,表,1-1,水的基本物理参数（一个标准大气压时）,水温,密度,r,(,kg,m,3,),动力粘度,m,(,10,-3,Pa,s,),运动粘度,n,(,10,-6,m,2,/s,),体积模量,K,(,10,9,Pa,),表面张力系数,s,(,N,m,),0,999.9,1.792,1.792,2.04,0.0756,5,1000.0,1.519,1.519,2.06,0.0749,10,999.7,1.308,1.308,2.11,0.0742,15,999.1,1.140,1.141,2.14,0.0735,20,998.2,1.005,1.007,2.20,0.0728,25,997.1,0.894,0.897,2.22,0.0720,30,995.7,0.801,0.804,2.23,0.0712,40,992.2,0.656,0.661,2.27,0.0696,50,988.1,0.549,0.556,2.23,0.0679,60,983.2,0.469,0.477,2.28,0.0662,70,977.8,0.406,0.415,2.25,0.0644,80,971.8,0.357,0.367,2.21,0.0626,90,965.3,0.317,0.328,2.16,0.0608,100,958.4,0.284,0.296,2.07,0.0589,表,1-2,空气的基本物理参数（一个标准大气压时）,温度,密度,r,(,kg,m,3,),动力粘度,m,(,10,-5,Pa,s,),运动粘度,n,(,10,-5,m,2,/s,),-40,1.515,1.49,0.98,-20,1.395,1.61,1.15,0,1.293,1.71,1.32,10,1.248,1.76,1.41,20,1.205,1.81,1.50,30,1.165,1.86,1.60,40,1.128,1.90,1.68,60,1.060,2.00,1.87,80,1.000,2.09,2.09,100,0.946,2.18,2.31,200,0.747,2.58,3.45,3.,牛顿流体与非牛顿流体,牛顿内摩擦定律是有其适用范围的。,根据切应力与剪切变形率的关系 ，有,牛顿流体,A,：水、油、空气等,非牛顿流体,理想宾汉流体,B,：泥浆、血浆、牙膏等,伪塑性流体,C,：尼龙、橡胶、纸浆、水泥浆,(,n,1,),4,理想流体的概念,任何流体都存在着粘性，也就是 或 。这种流体的称为,粘性流体,，或,实际流体,。,然而，从后面我们将知道粘性的存在将给流体运动的分析带来困难。因此，我们引入,理想流体,的概念：理想流体就是一种,假想的完全没有粘性,的流体。即 或,对于理想流体，从牛顿内摩擦定律可见，有,T,=0,，即流体内部不产生内摩擦力，无论有无相对运动都不存在内摩擦力。当然用这种概念得出的结果，还需修正后使用。有些情况下，可直接使用。,作用在流体上的力，按其物理性质可分为惯性力、重力、弹性力、粘滞力以及表面张力等等。,按其作用方式，又可划分为质量力和表面力两种。,第三节 作用在流体上的力,1.,质量力,质量力是作用于流体的每一个质点上，并与被作用的流体的质量成比例的力。,也称体积力、超距力。 如惯性力、重力,质量力的大小，一般以单位质量流体上的所作用的质量力 来表示，也就是单位质量力来表示。 即,单位质量力单位,m/s,2,具有加速度量纲,，,，,，,2.,表面力,表面力是作用于流体的表面上，并与被作用的表面面积成比例的力。,这种力是由其周围的流体或固体所施加的，并通过与接触面直接接触发生作用，故又称接触力。 如弹性力、粘滞力以及表面张力,表面力 按其作用方向可分解为：,沿作用面法线方向的分力，称为压力 ；,沿作用面切线方向的分力，称为切力 。,根据表面力是连续分布的特点，可用单位面积所受的表面力即应力来表示。,与压力 和切力 相对应，,有压应力 和切应力 ，并且,压应力一般称为压强。压,强和切应力的单位为,N/m,2,即,Pa,。,压强的特性在二、四章介绍,M,D,F,D,P,D,A,M,图,1-7,流体表面力示意图,第四节 水力学发展史简介,阿基米德在公元前,3,世纪提出的浮力定律被认为是水力学和流体力学理论的起源。,15,世纪，达,芬奇归纳出恒定流动的连续性原理，,1628,年卡斯特里重新发现该原理。,1647,年帕斯卡通过现场测量，提出流体静力学的基本关系式。,1678,年牛顿最早提出内摩擦力的计算公式。,1732,年,H.,皮托发明了可用于测量流速的皮托管。,1738,年,D.,伯努利提出了伯努利方程。,1752,年达朗伯提出了连续性方程。,1769,年谢才建立了谢才公式。,1775,年欧拉建立了理想流体的运动方程，他因此被认为是理论流体力学的奠基人。,1781,年拉格朗日引入了流函数的概念，此后他进一步完善了势流的理论。,1797,年文丘里发明了测量流量的文丘里管。,1823,年和,1845,年纳维尔和斯托克斯各自独立地建立了粘性流体的运动方程 。,1839,年和,1840,年哈根和泊肃叶研究了细管中的层流。,1856,年达西通过实验总结出渗流的达西定律。,1860,年亥姆霍兹提出了流体微团的运动分解定理。,1883,年雷诺发现了层流和紊流，他在,1894,年建立了雷诺方程组，提出了雷诺应力的概念。,1904,年普朗特提出了边界层理论，从此水力学与理论流体力学日趋紧密结合。,1912,年冯,卡门研究了卡门涡街的稳定性。,1932,年德莱顿首次用他发明的热线流速仪测量的紊流的脉动速度。,1940,年代，尼古拉兹完成了著名的管道流动和阻力的尼古拉兹实验。,1947,年计算机首次被用于流动的数值模拟，从此诞生了计算流体力学和计算水力学。,水力学的研究方法,研究水力学的方法一般是实验研究、理论分析和数值模拟三种,实验研究,1,）原型观测，对工程实际中的流体流动直接进行观测；,2,）系统实验，在实验室内对人工造成的某种特定条件下的流动现象进行系统观测研究；,3,）模型实验，在实验室内，以相似理论为指导，模拟实际工程的条件，在模型上预演和重演相应的流动现象，并进行研究。,理论分析,从以往的研究和发展来看，水力学中用理论解决实际问题有以下几种情况：,1,）先推导理论公式再用经验系数加以修正；,2,）根据实验现象和理论推理提出半经验半理论公式；,3,）先进行定性分析，然后直接给出经验公式。,数值模拟,随着计算机技术及其应用的飞速发展，这一方面已形成流体力学、水力学的一个重要分支,计算流体力学和计算水力学。,这个研究方法是运用流体力学的系统理论结合各种实验所获得的成果，针对各个具体流动问题建立数学模型，然后通过计算机编程计算，在计算机虚拟空间内再现所模拟的流动现象，从而解决所模拟的工程实际问题。,作为一本基础性和入门性教材，只能讲述基本的和共同性的流体流动规律。,通过本课程的学习，力争掌握水力学,(,工程流体力学,),的基本概念、基本原理、基本计算方法和基本实验技能，为各类后续课程的学习打下坚实的基础，也为今后从事各种以流体为工作介质、工作对象的生产和研究工作奠定必要的理论基础。,再回顾水力学定义及内容,水力学是流体力学的一个重要分支，它研究不可压缩流体（主要是液体，也包括某些情况下的气体）的平衡与流动的规律及其在工程技术领域中的应用。,根据流体处于静止状态或流动状态，水力学又分为水静力学和水动力学两大部分，前者研究静止流体内部的压强分布以及流体与边界之间作用力；后者研究流体的运动速度、作用力和能量转换规律等。,