《水力学》绪论

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,张 华,可再生能源学院,华北电力大学,1,第,0,章 绪论,2,绪论,0.1,水力学的任务与研究对象,0.2,水力学发展简史,0.3,实际工程中的水力学问题,0.4,液体的主要物理性质,0.5,连续介质与理想流体的概念,0.6,作用于液体上的力,0.7,水力学的研究方法,几点要求,3,绪 论,0.1,水,力学,的研究对象与任务,力学,是研究物质,机械运动,的科学。,力学,流体力学,固体力学,一般力学,刚体,弹性体,流体,4,绪 论,0.1,水力学的研究对象与任务,水力学,是研究,液体的平衡规律,、,运动规律以及液体与固体相互作用,的一门学科。,研究对象：,液体及不可压缩气体。,水力学：,水静力学,水动力学,5,F,水静力学,应用,：,确定水力荷载,6,水动力学,应用,：,调压系统中的水面振荡,压力引水道较长的水电站，常在引水系统中修建调压室以减小水击压强及缩小水击的影响范围。,7,绪 论,0.1,水力学的研究对象与任务,固体具有确定的形状；,流体的形状取决于与它相接触的边界。,流体的定义和特征,1.,流体的易流动性,a.,固体与流体的直观差别,8,绪 论,0.1,水力学的研究对象与任务,固体在确定的切应力作用下，产生确定的变形；,流体在确定的切应力作用下，产生连续不断的确定的变形。这种性质称为流体的,易变形性,或,易流动性,。,流体的定义和特征,1.,流体的易流动性,b.,固体与流体的力学差别,9,绪 论,0.1,水力学的研究对象与任务,2.,流体的力学定义：,流体是一种受到任何微小剪切力作用时都能连续变形的物质。,3.,气体与液体,当液、气接触时，会出现液气交界面，这种交界面称为液体的自由表面。,流体的定义和特征,10,0.2,水力学发展简史,第一阶段（,16,世纪以前）：水力学形成的萌芽阶段,第二阶段（,16,世纪文艺复兴以后,-18,世纪中叶）水力学成为一门独立学科的基础阶段,第三阶段（,18,世纪中叶,-19,世纪末）水力学沿着两个方向发展,欧拉、伯努利,第四阶段（,19,世纪末以来）水力学飞跃发展,11,第一阶段（,16,世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段,公元前,2286,年公元前,2278,年,大禹治水,疏壅导滞（洪水归于河）,公元前,300,多年,李冰,都江堰,深淘滩，低作堰,公元,584,年公元,610,年,隋朝南北大运河、船闸应用,埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业发展,系统研究,古希腊哲学家,阿基米德,论浮体,（公元前,250,年）奠定了流体静力学的基础,12,图,都江堰水利工程平面示意,都江堰工程采取,中流作堰,的方法，把岷江水分为,内江和外江,，内江供灌溉，外江供分洪，这就控制了岷江急流，免除了水灾，灌溉了三百多万亩农田。说明当时对堰流理论有一定认识。,13,第二阶段（,16,世纪文艺复兴以后,-18,世纪中叶）水力学成为一门独立学科的基础阶段,1586,年斯蒂芬,水静力学原理,1650,年帕斯卡,“,帕斯卡原理”,1612,年伽利略,物体沉浮的基本原理,1686,年牛顿,牛顿内摩擦定律,1738,年伯努利,理想流体的运动方程即伯努利方程,1775,年欧拉,理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程,14,第三阶段（,18,世纪中叶,-19,世纪末）水力学沿着两个方向发展,欧拉（理论）、伯努利（实验）,工程技术快速发展，提出很多经验公式,1769,年谢才,谢才公式（计算流速、流量）,1895,年曼宁,曼宁公式（计算谢才系数）,1732,年皮托,皮托管（测流速）,1797,年文丘里,文丘里管（测流量）,理论,1823,年纳维，,1845,年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（,N-S,方程）,15,第四阶段（,19,世纪末以来）水力学飞跃发展,理论分析与试验研究相结合,量纲分析和相似性原理起重要作用,1883,年雷诺,雷诺实验（判断流态）,1903,年普朗特,边界层概念（绕流运动）,1933-1934,年尼古拉兹,尼古拉兹实验（确定阻力系数）,水力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科,16,0.3,实际工程中的水力学问题,17,水对水工建筑物的作用力问题,水工建筑物的渗流问题,18,河渠水面曲线问题,水工建筑物下游的消能问题,水工建筑物的过水能力问题,水工建筑物的渗流问题,19,0.4,液体的主要物理性质,一、惯性、质量与密度,惯性力：,当液体受外力作用使运动状态发生改变时，由于液体的惯性引起对外界抵抗的反作用力。,F,m*a,单位：,N,量纲：,MLT,-2,20,密度：,是指单位体积液体所含有的质量。,国际单位：,kg/m,3,量纲：,ML,-3,一个标准大气压下，温度为,4,，蒸馏水密度为,1000,kg/m,3,。,21,二、万有引力特性，重力与容重,万有引力：,是指任何物体之间相互具有吸引力的性质，其吸引力称为万有引力。,重力：,地球对物体的引力称为重力。,大小为：,G,Mg,，,g,：重力加速度。,液体的容重：,（以 表示），是指单位体积液体所具有的重量。对某一重量为,G,，体积为,V,的均质液体，其容重为 则,国际单位：,N,m,3,容重的量纲：,ML,-2,S,-2,，,22,三、粘滞性与粘滞系数,23,24,25,26,27,28,牛顿内磨擦定律适用条件：,只能适用于牛顿流体。,29,四、压缩性及压缩系数,压缩性：,液体受压后体积要缩小，压力撤除后也能恢复原状，这种性质称为液体的压缩性或弹性。,用体积压缩率 或体积模量,K,来描述液体的压缩性,为体积压缩系数，单位为米,2,牛顿（,m,2,/N,）。,30,K,单位：牛顿米,2,（,N/m,2,）。,K,值越大，表示液体愈不容易压缩。,对一般水利工程来说，认为水不可压缩是足够精确的。但对个别特殊情况，必须考虑水受压后的弹力作用。,31,五、表面张力及表面张力系数,表面张力,表面张力仅在自由表面存在，液体内部并不存在。,大小：用表面张力系数 来度量。,表面张力系数是指在自由面单位长度上所受拉力的数值,单位：牛顿米（,N/m,）。,32,表面张力示意图,毛细管现象,33,毛细管现象,34,0.5,连续介质和理想液体的概念,一、连续介质的概念,35,0.5,连续介质和理想液体的概念,一、连续介质的概念,36,0.5,连续介质和理想液体的概念,一、连续介质的概念,注意：,当流体流动所涉及到的物体的尺寸能够使分子的平均自由行程和分子间的距离相比拟时，流体的连续介质模型不再适用。,37,二、理想液体的概念,在水力学中液体分为理想液体和实际液体,理想液体：,就是把水看作绝对不可压缩、不能膨胀、没有粘滞性、没有表面张力的连续介质。,有没有考虑粘滞性：,是理想液体和实际液体的最主要差别。,38,0.6,作用于液体上的力,按物理性质：,重力、惯性力、弹性力、摩擦力、表面张力。,按特点分：,表面力和质量力。,一、表面力,表面力：,作用于液体的表面，并与受作用的表面面积成比例的力。例如摩擦力、水压力。,39,二、质量力,质量力：,是指通过所研究液体的每一部分质量而作用于液体的、其大小与液体的质量成比例的力。如重力、惯性力。,，,质量力具有和加速度一样的量纲（,L/T,2,）。,40,0.7,水力学的研究方法,一、理论分析,二、科学试验,41,一、理论分析,经典力学的基本原理：,牛顿的三大定律、动量定律、动能定律,水流运动的基本方程式：,连续性方程、能量方程、动量方程,42,二、科学试验,1,、原型观测,2,、模型试验,3,、系统试验,4,、数值模拟,43,原型观测,在野外或水工建筑物现场，对水流运动进行观测，收集第一性资料，为检验理论分析成果或总结某些基本规律提供依据。,44,模型试验,当实际水流运动复杂，而理论分析困难，无法解决实际工程的水力学问题时采用。,指在实验室内，以水力相似理论为指导，把实际工程缩小为模型，在模型上预演相应的水流运动，得出模型水流的规律性，再把模型试验成果按照相似关系换算为原型的成果以满足工程设计的需要。,45,系统试验,在实验室内，小规模的造成某种水流运动，用已进行系统的实验观测，从中找到规律。,数理知识,数据处理方法,量纲分析方法,46,数值模拟,通过求解水流的运动方程来得到模拟区域内任意时刻任意位置力和运动要素的值。,先进性：,采用计算机、流体计算软件等高新技术。,经济性：,可给定不同的边界条件，进行大量的模拟，给出足够多的力和运动要素值以进行分析。,47,几点要求,课后复习，独立完成作业,掌握基本概念，明确物理意义,了解解题的思路和方法,熟知基本公式及其使用条件，并能熟练地应用公式去解题,48,几点要求,作业,布置的作业，周四上课时交,答疑,时间待定，地点：主楼,B623,考勤,缺课,20,不得参加考试,作业计入成绩,联系方式：,49,思考题,0.20.6,；,习题,0.5,，,0.6,50,