水力学ppt课件
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水力学 (完整版)PPT
2020/4/5
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第一章 绪论
1.3 作用在液体上的力
1.3.1 表面力定义
表面力是作用于液体的表面上的力，是相邻液体 或其他物体作用的结果，通过相互接触面传递。
表面力按作用方向可分为： 压力： 垂直于作用面。 切力： 平行于作用面
lim p
P
A0 A
lim
T
A0 A
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第一章 绪论
2020/4/5
1
第一章 绪论
第1章 绪 论 第2章 水静力学 第3章 液体运动学 第4章 水动力学基础 第5章 流动阻力和水头损失 第6章 量纲分析与相似原理 第7章 孔口、管嘴出流和有压管流 第8章 明渠均匀流 第9章 明渠非均匀流 第10章 堰流及闸孔出流 第11章 渗流
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第一章 绪论
11
第一章 绪论
Isaac Newton(1642-1727)
➢ Laws of motion
➢ Laws of viscosity of Newtonian fluid
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第一章 绪论
19th century
Navier (1785-1836) & Stokes (1819-1905)
N-S equation
viscous flow solution
Reynolds (1842-1912) 发现紊流（Turbulence） 提出雷诺数（ReynoldsNumber）
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第一章 绪论
20th century
Ludwig Prandtl (1875-1953) Boundary theory(1904)
水力学流体静力学PPT课件
在水利工程中，液体相对平衡 的原理被广泛应用于水坝、水 库等水工建筑物的设计和施工 中。
在医学领域，液体相对平衡的 原理也被应用于血液动力学和 药物输送等方面的研究。
04
液体内部压强与浮力
Chapter
液体内部压强的计算
压强定义
单位面积上所受的压力，用p表示 ，单位为Pa。
计算公式
p = F/A，其中F为压力，A为受力 面积。
了解液体运动的描述方法和基本方程 ；
能够运用所学知识分析和解决工程实 际问题。
教学方法与手段
01
02
03
教学方法
采用讲授、讨论、案例分 析等多种教学方法相结合 的方式。
教学手段
使用PPT课件、动画演示 、实验演示等教学手段辅 助教学。
考核方式
采用平时成绩、期末考试 成绩和实验成绩相结合的 考核方式。
的气体量来调节浮力大小。
05
流体静力学在水利工程中的应 用
Chapter
水库水位与坝体稳定性分析
水库水位确定
根据水库地形、库容曲线 及入库流量等资料，确定 水库在不同运行条件下的 水位。
坝体稳定性分析
运用土力学、岩石力学等 原理，分析坝体在静水压 力、扬压力等作用下的稳 定性，确保大坝安全。
渗流控制
液体相对平衡是流体静力学研究的基础。
等压面的形成与性质
等压面是指在液体内部，压强相等的各点所组成的面。
在重力场中，等压面是一个水平面，因为在同一水平面上，各点受到的重力作用相 同，所以压强也相等。
等压面具有传递压强的性质，即等压面上的压强可以传递到液体内部的任意一点。
液体相对平衡的应用
液体相对平衡的原理可以应用 于测量液体的密度和深度。
水力学ppt课件
目录•水力学基本概念与原理•流体静力学分析•流体动力学基础知识•管内流动与损失计算•明渠恒定均匀流与非均匀流分析•堰流、闸孔出流和泄水建筑物设计原理水力学基本概念与原理水力学定义及研究对象水力学的定义研究液体在静止和运动状态下的力学规律及其应用的科学。
研究对象液体（主要是水）的平衡、运动规律及其与固体边界的相互作用。
液体性质与分类液体的性质易流动性、压缩性、黏性、表面张力等。
液体的分类按密度可分为轻质液体和重质液体；按黏性可分为牛顿液体和非牛顿液体。
静压力与动压力概念静压力静止液体作用在与其接触的某个平面上法向的总压力。
动压力运动液体作用在与其接触的某个平面上法向的总压力。
连续性方程与伯努利方程连续性方程单位时间内流入、流出控制体的质量流量之差，等于控制体内质量的变化率。
伯努利方程理想液体在重力场作稳态流动时，具有压力能、位能和动能三种形式，它们之间可以相互转化，且总和保持不变。
流体静力学分析液体内部压强随深度的增加而增大。
在同一深度，液体向各个方向的压强相等。
液体的压强与液体的密度和深度有关，密度越大、深度越深，压强越大。
静止液体中压强分布规律液体相对平衡时表面形状确定方法0102 03当液体处于相对平衡状态时，其表面形状由液面所受外力和液体内部分子间相互作用力共同决定。
若液面所受外力为重力，则液面为水平面；若液面所受外力为其他力，则液面为与该力相平衡的曲面。
通过测量液体表面形状，可以推断出液体所受外力的性质和大小。
浮力的大小等于物体排开的液体所受的重力，即F 浮=G排=m排g=ρ液gV排。
浮力的产生条件是物体必须浸没在液体中，且物体下表面必须与液体接触。
浮力是液体对浸在其中的物体向上和向下的压力差，方向竖直向上。
浮力产生条件及计算方法潜水艇、气球等浮沉原理分析潜水艇通过改变自身重力来实现浮沉。
当潜水艇需要下潜时，它会向水舱注水，使自身重力大于浮力而下潜；当需要上浮时，它会将水舱中的水排出，减小自身重力，使浮力大于重力而上浮。
水力学经典教学课件PPT(83张)
水面激起一微小波动，波高h，波以速度vw从右向左
传播。观察微波传播： 波形所到之处将带动水流运 动，流速随时间变化，是非恒定流，但可化为恒定流。
vw
∆h
h
• 选动坐标随波峰运动，假想随波前进来观察渠 中水流相对于动坐标系 波静止渠中原静止水
体以波速vw从左向右流动，整个水体等速度
向右运动，水流为恒定流，水深沿程变化，是 非均匀流。
临
界
流
v c, 急 流
一般断面渠道静水中波速c为
c gA/B gh
• 将一块石子投入静水中，水面以投石点为中心 产生一系列同心圆，其以一定速度离开中心向
四周扩散
vw
vw’
• 将石子投入等速运动的水流中，则波传播速度 是水流流速与波速向量和。当水流流速小于波 速（v < vw）时，微波向下游传播的绝对速度 为（v + vw），向上游传播的绝对 v
vw+ v
• 当水流的流速等于波速（v= vw）时，微波向
下游传播的绝对速度是 2 vw。
2 vw
• 当水流流速大于波速（v > vw）时，微波只向 投石点下游传播，对上游的流动没有影响。
vw + v
• 一平底矩形断面水渠，水体静止，水深为h，水中有
一个直立的平板。用直立平板向左拨动一下，板左边
弗劳德（Froude）数的物理意义：
v
v2
Fr 2
gh 2gh
表示过水断面单位重量液体平均动能与平均 势能之比的二倍开平方，Fr愈大，意味着水 流的平均动能所占的比例愈大。
[Fr]
[惯性力] [重力]
表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关 系。急流时，惯性对水流起主导作用；缓流 时，重力对水流起主导作用。
传播。观察微波传播： 波形所到之处将带动水流运 动，流速随时间变化，是非恒定流，但可化为恒定流。
vw
∆h
h
• 选动坐标随波峰运动，假想随波前进来观察渠 中水流相对于动坐标系 波静止渠中原静止水
体以波速vw从左向右流动，整个水体等速度
向右运动，水流为恒定流，水深沿程变化，是 非均匀流。
临
界
流
v c, 急 流
一般断面渠道静水中波速c为
c gA/B gh
• 将一块石子投入静水中，水面以投石点为中心 产生一系列同心圆，其以一定速度离开中心向
四周扩散
vw
vw’
• 将石子投入等速运动的水流中，则波传播速度 是水流流速与波速向量和。当水流流速小于波 速（v < vw）时，微波向下游传播的绝对速度 为（v + vw），向上游传播的绝对 v
vw+ v
• 当水流的流速等于波速（v= vw）时，微波向
下游传播的绝对速度是 2 vw。
2 vw
• 当水流流速大于波速（v > vw）时，微波只向 投石点下游传播，对上游的流动没有影响。
vw + v
• 一平底矩形断面水渠，水体静止，水深为h，水中有
一个直立的平板。用直立平板向左拨动一下，板左边
弗劳德（Froude）数的物理意义：
v
v2
Fr 2
gh 2gh
表示过水断面单位重量液体平均动能与平均 势能之比的二倍开平方，Fr愈大，意味着水 流的平均动能所占的比例愈大。
[Fr]
[惯性力] [重力]
表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关 系。急流时，惯性对水流起主导作用；缓流 时，重力对水流起主导作用。
水力学(第六章明渠均匀流)PPT课件
i < 0 逆6坡
第六章 明渠均匀流
四、明渠均匀流产生的条件
B
GsinFf
orisinFf 0
G
P
1
v 1α G
A F
f
C
v
2
τ
P
0
2
D
CHENLI
7
第六章 明渠均匀流
四、明渠均匀流产生的条件
必要条件
恒定流 流量沿程不变（无分叉和汇流情况） 渠道为长、直的棱柱体顺坡渠 渠中无闸、坝、跌水等建筑物的局部干扰 底坡、糙率沿程不变
A bh 0 1 .5 1 .7 2 .55 2h0 b 2 1.7 1.5 4.9 R A / 0 .52 C 1 R 1/ 6 64 .06
n Q AC Ri 2 .36 m 3 / s
CHENLI
v Q/ A 0.93 v2 / gh1
11
1—1 2—2 3—3
横断面形状、尺寸沿程改变的渠道，称为
非棱柱体渠道。水流不可能形成C均HENL匀I 流动。
5
三、明渠的底坡
第六章 明渠均匀流
明渠底坡有三种类型
正坡 i > 0 渠底高程沿流程降低 平坡 i = 0 渠底高程沿程不变 负坡 i < 0 渠底高程沿流程增加
i > 0 顺坡
i = C0H平ENL坡I
资料的基础上, 提出明渠均匀流 流速与流量的经验公式－谢才公 式，以后又有确定谢才系数的满 宁公式（R.Manning）、 巴普洛 甫斯基公式。
CHENLI
10
六、明渠计算公式
第六章 明渠均匀流
QACR i Ki
1、有一矩形断面渠道，底宽b＝1.5m，底坡i＝0.0004，糙率n＝0.014，当 槽中均匀流水深h0=1.7m时，试求通过的流量Q , 并判别是急流还是缓流。
水力学课件.ppt
水工建筑物的渗流问题 水工建筑物的过水能力问题
前进
水力学的主要研究课题：
作用于建筑物表面上静水总压力 在压管中的恒定流 明渠恒定流 堰流及闸孔出流 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 渗流
前进 返回
连续介质的假说
假设液体是一种连续充满其所占据空间的毫无空隙 的连续体。水力学所研究的液体运动是连续介质的连 续流动。 意义：使描述液体运动的一切物理量在空间和时间上 连续，故可利用连续函数的分析方法来研究液体运动。
A线为牛顿液体，当液体种类一定、温
B
度一定时，η=const ，切应力与剪切
τ
C
变形速度成正比
A B线是理想宾汉液体，如泥浆、血浆等
D C线是伪塑性流体，如尼龙、橡胶的溶液、
η 1
颜料、油漆等
O
du/dy D线膨胀性流体，如生面团、浓淀粉糊等
（4）液体的粘滞性是液体运动产生能量损失的主要根源 实际液体与理想液体的概念
单位质量力
若一质量为M的均质液体，作用于其上的总质量力为F，则所受的
单位质量力为
f ， F与加速度有一样的量纲[L/T2]
M
若总质量力F在空间坐标上的投影分别为Fx、Fy、Fz、，单位质量
力在相应坐标上的投影为fx、fy、fz，则有
X Fx ,Y Fy , Z Fz MMM
返回
具体说：是以数学、物理、理论力学为基础，采 用理论分析与实验研究的方法，研究液体平衡和机械 运动的规律及其实际应用。
水静力学 按液体的存在形式
水动力学
基本原理 按研究的内容
工程应用
前进 返回
实际工程中的水力学问题
前进
水对水工建筑物的作用力问题 水工建筑物的渗流问题
前进
水力学的主要研究课题：
作用于建筑物表面上静水总压力 在压管中的恒定流 明渠恒定流 堰流及闸孔出流 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 渗流
前进 返回
连续介质的假说
假设液体是一种连续充满其所占据空间的毫无空隙 的连续体。水力学所研究的液体运动是连续介质的连 续流动。 意义：使描述液体运动的一切物理量在空间和时间上 连续，故可利用连续函数的分析方法来研究液体运动。
A线为牛顿液体，当液体种类一定、温
B
度一定时，η=const ，切应力与剪切
τ
C
变形速度成正比
A B线是理想宾汉液体，如泥浆、血浆等
D C线是伪塑性流体，如尼龙、橡胶的溶液、
η 1
颜料、油漆等
O
du/dy D线膨胀性流体，如生面团、浓淀粉糊等
（4）液体的粘滞性是液体运动产生能量损失的主要根源 实际液体与理想液体的概念
单位质量力
若一质量为M的均质液体，作用于其上的总质量力为F，则所受的
单位质量力为
f ， F与加速度有一样的量纲[L/T2]
M
若总质量力F在空间坐标上的投影分别为Fx、Fy、Fz、，单位质量
力在相应坐标上的投影为fx、fy、fz，则有
X Fx ,Y Fy , Z Fz MMM
返回
具体说：是以数学、物理、理论力学为基础，采 用理论分析与实验研究的方法，研究液体平衡和机械 运动的规律及其实际应用。
水静力学 按液体的存在形式
水动力学
基本原理 按研究的内容
工程应用
前进 返回
实际工程中的水力学问题
前进
水对水工建筑物的作用力问题 水工建筑物的渗流问题
水力学课件 第一章 水静力学
§1.1 静水压强及其特征
联立上面各式代入后得：
1 2
pxyz
1 2
pnyz
1 6
xyzf x
0
1 2
p y xz
1 2
pnxz
1 6
xyzf y
0
1 2
pz xy
1 2
pnxy
1 6
xyzf z
0
联立上面各式代入后得：
1 2
pxyz
1 2
pnyz
1 6
xyzf x
0
1 2
p y xz
1 2
pnxz
§1.4 等压面
一、等压面(Isobaric Surface)：在平衡的液体中， 由压强相等的各点所组成的面叫做等压面。 等压面的重要特性是： 1.在静止的或相对平衡的液体中，等压面同时也是
等势面(Isopotential Surface)。 dp dU
2.在相对平衡的液体中，等压面与质量力正交。
条件：只适用于静止、同种、连续液体
三、气体压强计算
p p0
§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡
z
gm h z
zs
o
x
以z轴为对称轴的旋转抛物面方程：
R
o
r
x
m
F
y 1 2rBiblioteka gz C 2§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡 平衡微分方程： dp ( fxdx f ydy fzdz) 质量力：离心惯性力和重力 F m 2r, mg 单位质量力： fx 2 x, f y 2 y, fz g 自由面上压强不变为大气压： dp 0
§ 1.5几种质量力同时作用下的液体平衡
2、圆筒中液体内任一点静水压强分布规律：
水力学第三章水动力学基础PPT课件
斯托克斯定理
总结词
描述流体在重力场中运动时，流速与密 度的关系。
VS
详细描述
斯托克斯定理指出，在不可压缩、理想流 体中，流体的流速与密度之间存在一定的 关系。具体来说，流速大的地方密度小， 流速小的地方密度大。这个定理对于理解 流体运动的基本规律和解决实际问题具有 重要的意义。
06 水动力学中的流动现象与 模拟
设计、预测和控制等领域。
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感谢您的观看
静水压强
静止液体内部压强的分布规律。
液柱压力计
利用静止液体的压强测量压力的方法。
帕斯卡原理
静止液体中任意封闭曲面所受外力之和为零。
浮力原理
浸没在液体中的物体受到一个向上的浮力， 其大小等于物体所排液体的重量。
03 水流运动的基本方程
连续性方程
总结词
描述水流在流场中连续分布的特性
详细描述
连续性方程是水力学中的基本方程之一，它表达了单位时间内流场中某一流体 的质量守恒原理。对于不可压缩流体，连续性方程可以简化为：单位时间内流 出的流量等于该时间内流体的减少量。
湍流
水流呈现不规则状态，流线曲折、交 叉甚至断裂，流速沿程变化大，有强 烈的脉动现象。
均匀流与非均匀流
均匀流
水流在同一条流线上，速度和方向保持一致，过水断面形状和尺寸沿程保持不变 。
非均匀流
水流在同一条流线上，速度和方向发生变化，过水断面形状和尺寸沿程也发生变 化。
一维、二维和三维流动
一维流动
水流只具有一个方向的流动，如 管道中的水流。一维流动的研究 可以通过建立一维数学模型进行。
水力学第三章水动力学基础ppt课 件
目 录
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C
5
§1.1.2 液体平衡微分方程及综合式
一.平衡微分方程的形式：
X
1
p x
0
Y
1
p y
0
Z
1
p z
0
➢该 式 称 液 体 平 衡 微 分
方程（欧拉平衡微分方 程）。
二.平衡微分方程的物理意义：
➢液体的平衡微分方程实质上表明了单位质量力和单位
.
6
表面力之间的平衡。
三.液体平衡微分方程的积分：
z p C
p1p2 z1z2 z1z2 p1p2
Z0
Z
Z1
Z2
pp0 h
表面压强p0可向液体内. 部各方向传递-帕斯卡定
p h 8
二. 水静力学的基本概念
1. 等压面
• 静止液体，P=const，为等压面。
由平衡方程综合式 d p(X dYxd Z y)dz
可得等压面方程为
Xd Y xd Z yd 0 z
➢测量的压强较大时，采用重度大的液体作为
量测介质；
•A点压强：
pAhAmhp
pAmhphA
.
28
3.压差计（比压计）
➢用于测量任意两点的测压管水头差或
压强差；
p A ( z A h p ) p B z B m h p
(zAp A) hp(zBp B)m hp
ΔZ
(zApA)(zBpB)
.
2
1.12 模型试验与量纲分析
1.1 水静力学
内容：研究液体静止状态下的平衡规律及 实际应用.
静止液体：du/dy=0, =0, 只存在p.
具体： 1.静水压强及特性；
2.液体平衡微分方程及综合式 ；
3.水静力学基本方程及基本概念 ；
4.静水压强的图示及量测 ；
5.平面上的静水. 总压力 。
3
§ 1.1.1 静水压强及其特性
X
1
p x
0
Y
1
p y
0
Z
1
p z
0
将方程中各式依次乘以dx、dy、dz，相加得
pd xpd ypd z(X dYxd Z y)dz
x y z
d p(X dYxd Z y)dz
上式为液体平衡微. 分方程的综合式。 7
§1.1.3 水静力学基本方程及基本概念
一. 水静力学基本方程 如图，质量力只有重力：
25
（一） 液柱式压力计
❖ 根据液柱高度或高差测量压强大小；
• 一般测量相对压强. 1.测压管：
在内有液体的
容器壁选定测点，
pA /
垂直于壁面打孔，
接出一端开口与大
气相通的玻璃管，
zA
即为测压管。
.O
pB /
zB
O 26
• 测压管直接用同种液体的液柱高 度测量压强
pA=hA
.
27
2.U形压力计
➢压力表：测相对压强. ➢真空表：测真空压强.
.
31
§1.15 作用在平面上的静水总压力
•总压力求解包括其大小、方向 、作用点。
• 求解作用在平面上的静水总压力，实际是
平行力系的合成，作用力垂直于作用面。
P
H
gH H
P
H/3
.
gH
32
P
H
gH
L L/3
gh
P
h
H
gH
L e
gh
H
h H
gH
.
h
g(H-h)
水力学多媒体电子教案
大连理工大学建工学. 部水利学院 刘亚坤1
1.1 水静力学
1.2 液体运动的一元流分析法
1.3 液体的流动型态及水头损失
1.4 恒定有压管流
1.5 明渠恒定均匀流动 1.6 明渠恒定非均匀流动
1.7 堰流及闸孔出流
1.8 泄水建筑物下游的水流衔接与消能
1.9 隧洞的水力计算
1.10 渗流
一.静水压强的定义
➢静止液体的应力只有法向分量（液体质点之间没有
相对运动不存在切应力）。
plimP(2.1.1) A0A
n P
• 压强的单位：Pa（N/m2）
.
4
二.静水压强的特性
1.沿受压面的内法线；
pn
p
2.作用在同一 点各方向的静 水压强大小相 等，即与作用
方向无关.
D
z
O
x.
B
y
dz
A
dy dx
33
一. 解析法求平面上的静水总压力
P
hC h
dP o
ho
y
y
dA A
DC
y
yC
yD
.
➢ 总压力的大小
P ghd A A pC A
x
34
➢ 总压力的作用点
P
hC h
dP o
ho
y
yD
yC
IC yCA
y
dA A
DC
y
yC
yD
x
.
35
常见图形的A、yc及Ic值
.
36
二. 图算法求矩形平面上的静水总压力
➢求解矩形平面的静
O
.
a
Z
O
18
3.绝对压强、相对压强、真空度
❖ 绝对压强：以绝对真空状态下的压 强为零点计量的压强，pabs；
• 相对压强：以当地大气压强pa为零 点计量的压强，p .
ppabspa
p p 0h p a (p 0 p a )h
实际工程中，p0.=pa
p=h
19
若pabs<pa，p=pabs-pa<0，称存在
.
9
等压面的应用一：
➢ 应用等压面测量大气压强
.
10
等压面的应用二：
➢ 应用等压面测量任一点压强
.
11
等压面的应用三：
➢ 应用等压面测量任两点压强差
.
12
等压面的应用四：
➢ 应用等压面测量任两点测压管水头差
.
13
思考题：神奇水槽为何不溢流？
.
14
思考题：找等压面
油
N
N1
1
M
M
水
（a） .
20
§ 1.1.4 静水压强图示及量测
一. 静水压强图示 依据：1. 水静力学基本方程 p=h;
2. 静水压强特性（大小.
(h1+h2)
22
.
23
.
24
二. 压强量测
➢原理：等压面原理
• 差别：量程大小、计量精度 （1）液柱式压力计
• 分类： （2）金属压力表
.
压力表
真空表
负压
❖ 真空压强：负压的绝对值，pv
p v |p ab sp a|p ap abs
•真空度：真空压强用水柱高度表示，hv
hv
pv
pa
pabs(m水柱）
标准大气压：1p标=760mmHg=1.013105(N/m2)
工程大气压：1p工=735mmHg=9.8104(N/m2)
=98.kPa=10mH2O
（b） 15
注意：
均匀连续介质 p1p2 z1z2
.
16
2.位置水头、压强水头、测压管水头
基本方程： z p C
g
z:位置水头；
g
p/:压强水头； Z
z+p/:测压管水头
Z
O
O
zA
pA
zB
pB
.
17
思考题:
1.p0=pa时，液面高度？
2. P0>pa时，液面高度？
Z
3. P0<pa时，液面高度？
水
mhphp12 .6hp
p Ap B(1.6 2 h p .z)
Z
Δ
水
Z
29
➢若所测压强很小，可以倾斜安置压差计.
➢若所测两点压强差很小，也可以采用较
轻液体（煤油、空气等），但此时要将U 形管倒置.
M
Δ
M
ZB B 水
ZA ΔZ
水
.
30
（二） 金属压力表-压力表、真空表
• 液柱式压力计：精度高，但量测范围 小、携带不方便，主要用于实验室。