0水力学绪论

0.2 水力学发展简史
古典流体力学的奠基人 是瑞士数学家伯努利 (Bernoulli，D．) 欧拉 (Euler，L．) 忽略黏性、重数学、重理 论 实用流体力学(又分支出水力 学) 的奠基人是一些工程师和实 际工作者，如谢才(Chezy， A．de)，达西(Darcy，H．)，毕 托(Pitot，H．) ，曼宁等。考虑 黏性、偏经验、偏实用
0.4 连续介质与理想液体的概念
理想液体的概念 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。
0.5 作用于液体上的力 作用在流体上的力
表面力

质量力

直接接触 作用于表面 与液体的质量无关
第0章 绪论
0.1水力学的任务与研究对象 一、水力学研究对象
固体 物质 流体 液体 气体 油、血浆、 泥浆 水 研究对象：液体并且主要是水，但它的研究方法和基本原 理也适用于其他不可压缩液体，即包括那些在一定条件下 “压缩性”影响可以忽略不计的气体在内。
0.1水力学的任务与研究对象
二、任务 研究任务：主要研究液体的力学
牛顿内摩擦定律：作层流运动的液体，相互邻近层间单位 面积上所作用的内摩擦力（或粘滞力），与流速梯度成 正比（应变率），同时与液体的性质有关．与接触面压 力无关。 ν为运动粘滞系 数（运动粘 度），国际单 2 位： m s

μ为动力粘滞系数
（动力粘度 ），国际 单位 ： N s / m 2
容重
单位体积液体所具有的重量
定义
（均质流体）
m V
G g V
国际单位 量纲 常用数值
kg m3
N m3 ,KN m3
M L
3
M L
3
2
T
2
1000 kg m
9800 N m3
工程上视为常数，取一个标准大气压下，温度为4℃，蒸 馏水来计算，
适用条件： 只能适用于牛顿流体
0.3 液体的主要物理性质
宾汉体：泥浆、血液 伪塑体：尼龙、橡胶 膨胀体：面团、淀粉 牛顿体：水、油
在同一种液体中，μ或ν值均随温度和压力而异，但 随压力变化关系甚微，对温度变化较为敏感。对于 水，ν可按下列经验公式计算
0.01775 v 1 0.0337 0.000221 t 2
Fx X M
或
Y
Fy M
Fz Z M
0.6水力学的研究方法
研究方法

理论方法 理论模型——普遍规律——数学求解

试验方法 观察与测量——分析处理——本质规律

数值方法 数学问题——求近似解
0.6水力学的研究方法
理论分析 将普遍规律、公理，如： 牛顿定律、能量守恒定律 力系的平衡定律、动能定律 动量定律、最小耗能原理等 用于液体分析中，建立液体微分方程、积分方程、优化方程、结 合边界条件、限定条件求解液体运动。
0.3 液体的主要物理性质
粘滞性
1.物体与物体之间相对运动， 存在摩擦力。 2.当液体处于运动状态时，若 液体质点之间存在相对运动， 则液体质点间也要产生抵抗其 相对运动的力——广义摩擦力。 这种特性称之为粘滞性。 牛顿内摩擦定律：
TA
du dy
du d dy dt
0.3 液体的主要物理性质

数值计算 利用计算机技术，数值求解描述液体运动的微分方程、积分方程 等，得到问题的数值解。 数学模型及计算机仿真技术。
习题
1-1 500L水银的质量为6795kg，试求水银的密度和容重。 1-3 设水的体积弹性系数K=2.18×109N/m2,试问压强改变多少时， 其体积才可相对压缩10%? 1-4 如题1-4图所示，有一面积为0.16m2的平板在油面上作水平运 动，已知运动速度u=1m/s，平板与固定边界的距离δ=1mm，油的 动力黏度μ为1.15 Pa〃s，由平板所带动的速度成直线分布，试求平 板所受的阻力。 1-6 如题1-6图所示的盛水容器，该容器以等角速度ω绕中心轴旋转。 试写出位于A（x,y,z）点处单位质量所受的质量力分量表达式。
例如：夏天的水比冬天要清澈，原因是温度越高，粘滞性越小
0.3 液体的主要物理性质
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。 体积压缩系数 体积弹性系数
压缩性
dV k V dp
1 K k
K值越大，表示液体愈不容易压缩。
0.3 液体的主要物理性质
表面张力 自由表面上，液体分子由于受两侧



几乎不抗拉 易流动，不能保持一定形状 难于压缩，具有一定的体积，能保持 一个自由表面 各向同性、匀质 连续介质
0.3 液体的主要物理性质 十、主要力学性质

惯性、质量、密度 万有引力、重力、容重 粘滞性 压缩性和膨胀性 表面张力
0.3 液体的主要物理性质
密度
单位体积液体所含有的质量
隔距作用 作用于质点或质积
某点的应力表示 例如：摩阻力（切向 力）、压力（法向力）
例如：重力、惯性力
场等引力场中，作用于液 体各质点上的一种力
是液体所处重力场、磁力
z
F M
单位质量力
F f M
y
0
x
投影 形式
Fx f x' M Fy f y' M Fz f x' M
性质、运动规律、工程应用的科
学。 三、应用范围
不但应用在水利工程、港口工程、海洋工程，且应用在很多其他工程 技术部门，如机械制造、土木建筑、电力工业（火电站、核电站）、石 油开采、化学工业。
0.1水力学的任务与研究对象
四、研究内容
水静力学：关于液体平衡的规律，两种状态，静止或相对平衡时，作用 在也提上各种力之间的相互关系。 水动力学：关于液体运动的规律，研究液体在运动状态下，作用在也提 上的力与运动要素之间的关系，液体的运动特性与能量转换。
渗流 有压流 无压流 溃坝水流
0.1水力学的任务与研究对象
五、课程特点
两个难点 紊流 特征 三维流的 场分析法 四个较多
公式多
概念多 系数多 分类多
课程要求：听课，自学——习题，讨论——总结，提炼 基础课程：高等数学，物理学，理论力学
，
0.2 水力学发展简史
水力学发展简史
公元前250年古希腊的阿基米德（Archimides）撰 写的“论浮体”奠定了水静力学的基础。 此后千余年间，直到15世纪文艺复兴时期，流体力学没 有重大发展。 16世纪以后，流体力学较快发展，如达〃芬奇、伽利略、 E〃托里拆利、B〃帕斯卡、I〃牛顿等人用实验方法研究了静水 压力、大气压力、空口出流、压强传递和水的切应力等问题。 18-19世纪，流体力学沿着两条途径建立了液体运动的系统理 论，形成两门独立的学科。
液体是由分子组成 分子之间存在空隙 分子有热运动 ①分子间空隙《水体宏观尺度 ②分子运动《液体宏观运动 提出连续介质假设： 假设液体是一种连续充满空间的连续体

“连续介质”概念的建立，使液体中的一切物理量 （压强、速度、密度等）都可视为空间坐标和时 间的连续函数〔如：p=p(x,y,z,t)、u=u(x,y,z.t)〕。
使上述两类研究方法得到统一的是德国人普朗特
在1904年创立的边界层理论（附面层理论）
20世纪以来，随着生产和科学的发展，水力学得到了 迅速发展，分支出：计算水力学，环境水力学，工程 水力学，生态水力学，城市水力学等
0.3 液体的主要物理性质 1、液体的特性：
自然界的三种状态：液体、固体和气体。 液体的特性：分子间距大、内聚力小，不能承受拉力， 不能承受剪切力，无固定的形态。
2
L 速度 V T
L 加速度 a 2 T
单位:为了衡量同一类别物理量的大小而规定的度量标准称为单位。 国际单位制(SI) 基本量纲: ［L］ ［T］ ［M ］ 诱导量纲: ［F］ 工程单位制 ［L］ ［T］ ［F］ ［M ］
0.4 连续介质与理想液体的概念 基本观点
静水压强 水静力学
按水流存在 的状态
静水压力
水动力学
质量守恒： 连续方程
能量守恒：
动量守恒：
能量方程
动量方程
0.1水力学的任务与研究对象
按研究的方法 基础理论: 如三大方程 基本应用：如 管、渠恒定流
专门问题 ：消能、 水击、两相流
按水流边 界条件
管道水流 明渠水流 堰流 闸孔出流
射流 桥涵水流 坡面流 孔口出流
分子引力不平衡，使自由面上液体分
子受有极其微小的拉力 。 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σ来度量 σ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）。
0.3 液体的主要物理性质
量纲和单位
量纲：表征各种物理量属性和类别的称为物理量的量纲（或称因次） 例如：长度─［L］、时间─ ［T］、质量─ ［M ］、 力─ ［F］ 基本量纲：相互独立，即其中的任意一个量纲都不能从其 它量纲中推导出来。如［L］、［T］、 ［M ］ 诱导量纲: 由基本量纲推导出来的，也称为导出量纲。 面积 A L