水力学第1章 绪论_2015分解
长安大学水力学第一章绪论
•液体与气体两者相比，液体分子内聚力又比
气体大得多，因为液体分子间距离较小，密
度较大，所以液体虽然不能保持固定的形状，但能保持比较固定的体积。
•一个盛有液体的容器，若其容积大于液体的体积时，液体就不会充满整个容器，而具有自由表面(液体仅占据自身体积所需要的那部分空间)。
•气体不仅没有固定的形状，也没有固定的体积，极易膨胀和压缩，它可以任意扩散直到充满其所占据的有限空间。
而液体的压缩性很小，在很大的压力作用下，其体积的缩小甚微。
液体的膨
胀性同样也是很小的。
气体和液体的主要差别就是它们的可压缩程度不同。
•但当气流速度远比音速为小的时候，在运动过程中其密度变化很小，气
体也可视为不可压缩，此时水力学的基本原理也同样可适用于气流。
(1)液体的密度是空间坐标X，Y，Z的函数
层流运动牛顿液体
例如：在10°C时水的体积弹性
个系数为
K
分别描述液体的什么物理性质？
第1章绪论。
第一章水力学绪论
其 中 ΔV0 的含义应理解 为液体微团趋 于液体质点。
2 .液体的主要物理性质
1).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。 2).质量：物体惯性大小的度量。 3).密度：是指单位体积液体所具有的质量。
4).重力：地球对物体的引力称为重力，或称为重量。
二. 质量力
• • •
质量力分布在液体质量上。
质量力的定义：作用于液体的每个质点上，并与受作用 的液体质量成比例的力。 单位质量力：作用在单位质量液体上的质量力。
F f M Fy Fx Fz X ,Y ,Z M M M
第四节 水力学的研究方法
1.理论分析（经典力学为基础）
2.科学试验 （1）原型观测 （2）模型试验 （3）系统实验 3.数值模拟和数值计算
第二节宏观上看，液体质点足够小，只占据一个空间几何
点，体积趋于零。
微观上看，液体质点是一个足够大的分子团，包含
了足够多的液体分子。
3.3 1022
个分子
1cm3空气 ( 标准状态下)
• 连续介质假设
连 续 介 质 假 设 将 液 体 区 域 看 成 由 液 体 质 点 连 续 组 成 ， 占
1.理解连续介质和理想液体的概念。 2.掌握液体的基本特征和主要物理性质，特 别是液体的黏滞性和牛顿内摩擦定律及其应 用条件。 3.理解作用在液体上的两种力。
思考题
1 液体的基本特征是什么？它与气体、固体有什么
区别？ 2 为什么要引进连续介质的假设？为什么可以把液 体当作连续介质？ 3 液体的主要物理特性是什么？研究液体运动一般
定义概括了三个涵义：
第一:水力学虽以水为研究对象，但其基本原理同 样适用于一般常见的液体和可以忽略压缩性影响的
水力学1
(3 在连续介质假设基础上认为液体是均质的各项同性 ) 的， 所谓均质是指液体内部各部分物理性质是相同的； 所谓各向同性指同一质点各方向物理性质是相同的。 (4) 连续性介质假设是成立的。
二、理想液体的概念
指不存在粘滞性，或黏度为0的液体，实 际上是不存在的，只是一种对物性简化的 模型。
四、作用于液体上的力
du dy
与 有关 与正压力无关
固体：摩擦力=正压力×摩擦系数
外摩擦力：发生在固体接触面上。
液体：内摩擦力=流速梯度×粘滞系数 内摩擦力：发生在液体内两流速间。
粘滞性大小的度量：
：动力粘滞系数
:
运动粘滞系数,单位㎡/s
四、压缩性
液体受压后体积缩小，即为压缩性； 压力撤除后恢复原状，为弹性。 dV 用体积压缩率来表示压缩性的大小： V κ越大，表示液体越易压缩，单位：m2/N或Pa-1 还可用体积模量K来表示压缩性的大小： K 1
dp
K越大，表示液体越不易压缩，单位：N/m2 或Pa 水的压缩性很小，在10℃时，K = 2×109 N/m2，即增加 一个大气压，水的体积相对压缩值为2万分之一，故认为 水是不可压缩的液体。
前进 返回
不可压缩流体的特征是（ ） A.密度为常数 B.热胀性不能忽略 C.无粘性 D .符合pV=nRT
对运动，这种性质称为液体的粘滞性。 固体运动时摩擦发生在边界，液体运动时摩 擦发生在内部。因此，液体运动的摩擦又称内摩 擦。摩擦阻力又称内摩擦力或切力。
前进
y u y
U u+du u
y+dy
液体遵循牛顿内摩擦定律
du FV A dy
式中：
A —相邻两液层间的接触面积 du —上下两流层的流速差 （流速变化量） dy —上下两流层的间距
水力学第1章 绪论_2015
4. 研究方法
第 一 章 绪 论
理论、实验及数值模拟
理论分析 经典力学的基本原理： 牛顿的三大 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
2012年2月
25
25
水力学
实验分析
第 一 章 绪 论
1、原型观测 2、模型实验 3、系统实验
2012年2月
26
26
水力学
60
水力学
难?不难?
第 一 章 绪 论
2012年2月
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61
水力学
水力学的学习方法
第 一 章 绪 论
2012年2月
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62
水力学
课程的任务
第 一 章 绪 论
认识现象 理解概念 分析原理 解释现象 解决问题
2012年2月
63
63
水力学
学习内容
第 一 章 绪 论 水静力学 水动力学 应用
第 一 章 绪 论
55
水力学
学习内容
第一章 第 第二章 一 章 第三章 第四章 绪 论 第五章 第六章 第七章 第八章 绪论 水静力学 液体一元恒定总流基本原理 液流型态及水头损失
液体三元流动基本原理 有压管流 明渠均匀流 明渠非均匀流
59
水力学
第 一 章 绪 论
第九章 堰流及闸孔出流 第十章 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 第十一章 渗流 第十二章 相似原理
75
水力学
第 一 章 绪 论
3、流动性
静止流体在切应力作用下，发生连续变形 的特性称为流动性。
4、粘性
（1）粘性 当液体处在运动状态时，若液体质点 之间存在着相对运动，则质点间要产生 内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称 为液体的粘滞性，此内摩擦力又称为粘 滞力。
水力学知识点讲解
水力学第一章绪 论(一)液体的主要物理性质1．惯性与重力特性：掌握水的密度ρ和容重γ；2．粘滞性：液体的粘滞性是液体在流动中产生能量损失的根本原因。
描述液体内部的粘滞力规律的是牛顿内摩擦定律 :注意牛顿内摩擦定律适用范围：1)牛顿流体， 2)层流运动 3．可压缩性：在研究水击时需要考虑。
4．表面张力特性：进行模型试验时需要考虑。
下面我们介绍水力学的两个基本假设： (二)连续介质和理想液体假设1．连续介质：液体是由液体质点组成的连续体,可以用连续函数描述液体运动的物理量。
2．理想液体：忽略粘滞性的液体。
（三）作用在液体上的两类作用力第二章 水静力学水静力学包括静水压强和静水总压力两部分内容。
通过静水压强和静水总压力的计算，我们可以求作用在建筑物上的静水荷载。
（一）静水压强：主要掌握静水压强特性,等压面,水头的概念，以及静水压强的计算和不同表示方法。
1．静水压强的两个特性：（1）静水压强的方向垂直且指向受压面（2）静水压强的大小仅与该点坐标有关，与受压面方向无关，2.等压面与连通器原理：在只受重力作用,连通的同种液体内, 等压面是水平面。
(它是静水压强计算和测量的依据）3．重力作用下静水压强基本公式（水静力学基本公式）p=p 0+γh 或 其中 ： z —位置水头，p/γ—压强水头（z+p/γ）—测压管水头请注意，“水头”表示单位重量液体含有的能量。
4．压强的三种表示方法：绝对压强p ′，相对压强p ， 真空度p v , ↑ 它们之间的关系为：p= p ′-p a p v =│p │（当p ＜0时p v 存在）↑相对压强:p=γh,可以是正值，也可以是负值。
要求掌握绝对压强、相对压强和真空度三者的概念和它们之间的转换关系。
1pa(工程大气压)=98000N/m 2=98KN/m2下面我们讨论静水总压力的计算。
计算静水总压力包括求力的大小、方向和作用点，受压面可以分为平面和曲面两类。
根据平面的形状：对规则的矩形平面可采用图解法，任意形状的平面都可以用解析法进行计算。
第一章绪论第二章水力学基础
液压与气压技术主讲：郭贵生第一章绪论1.1 什么是液压传动一部完整的机械由原动机、传动部分、控制部分和工作机构等组成。
传动部分是中间环节，它的作用是把原动机（电动机、内燃机等）的输出功率传输给工作机构。
传动机构有多种形式：机械传动：齿轮、链条、皮带等；电传动：电子和电气；液力：利用液体的MV 或FV,如工程机械中液体的挖掘机。
流体传动液压：主要利用液体的压力，拖拉机的提升机构、机床等。
气体：工厂的各种设备动作。
液体具有动能、位能、动力势能（液压）。
动能主要用在液力传动中，而液压主要应用液体的动力势能。
1.2 液压与气压发展史液压传动工作原理和元件的应用早已提出。
英国发明了动力机后液压传动就被提出，如在早期的纺织厂应用（原因机械传动复杂），用同一动力机带动许多机械设备工作。
但因当时缺乏液力学方面的基本理论及机加工达不到要求，水腐蚀等问题不能解决而放下。
但真正应用于生产实践还是上世纪初的事情。
随着液压水力学研究的逐步发展起来，在各种机械复杂运动的实现和控制方面得到了广泛的应用中。
（第二次世界大战推动液压技术的发展，军事上需要反映快重量轻功率大的各种武器。
）特别是近几十年，液压传动在工农业的各种机械设备应用更广泛。
液压传动在简化机器结构，减轻机器的重量，减少材料的消耗等方面是机械和电无法代替的。
气压技术发展历史悠久，但18世纪开始应用。
现在流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业水平发展的标示。
举例：联合收获机的操纵系统，拖拉机的液压悬挂系统，汽车转向及速度的调节，机床等。
1.3 简单液压系统示例图1—1 机床工作台液压系统的工作原理图1.油箱2.滤油器3.12.14.回油管4.液压泵5.弹簧6.钢球7.溢流阀8.压力支管9.开停阀10.压力管11.开停手柄13.节流阀15.换向阀16.换向手柄1. 系统的主要组成：油箱、液压泵、压力阀、操纵阀、流量阀、液压缸和外载2. 各部件的作用：3. 工作原理：工作台左移，工作台右移，速度的调节，停止，推力大小的变化调节。
第一章：水力学 绪论
11 • 1876年雷诺发现了水流动的两种流态：层流和紊流。 • 1858年亥姆霍兹指出了理想水中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论， 并于1887年提出了脱体绕流理论。 • 十九世纪末，相似理论提出，实验和理论分析相结合。 • 1904年普朗特提出了边界层理论。
• 二十世纪六十年代以后，计算水力学得到了迅速的发展，水力学内涵也
A、粘性是流体的固有属性；
B、粘性是运动状态下，流体有抵抗剪切变形速率能力的量度； C、流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性；
D、流体的粘度随温度的升高而增大。
3、牛顿内摩擦定律
牛顿内摩擦定律： 液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变
形的速率成正比。即
31
du d dy dt
25
1、密度
密度（Density）：是指单位体积流体的质量。单位：kg/m3 。
lim M V 0 V
均质流体内部各点处的密度均相等：
V V
M V
水的密度常用值： =1000 kg/m3
26
2、容重（重度） 容重（Specific Weight）：指单位体积流体的重量。单位： N/m3 。
4
目前，根据水力学在各个工程领域的应用，水力
学可分为以下三类：
水利类水力学：水工、水动、海洋等。 机械类水力学：机械、冶金、化工、水机等。 土木类水力学：市政、工民建、道桥、城市防洪等。
二、 水力学的发展历史
5
水力学的萌芽，是自距今约2200年以前西西里岛的希腊学者阿基米德写 的“论浮体”一文开始的。 他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。 水力学的主要发展是从牛顿时代开始的，1687年牛顿的名著《原理》 讨论水的阻力、波浪运动等内容，使水力学开始变为力学中的一个独立分支 。此后，水力学的发展主要经历了三个阶段： 1. 伯努里所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析方 法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，从而在此基础上形成了一 门属于数学的古典“水动力学”（或古典“水力学”）。
水力学(第一章绪论)long
1.1 水力学的定义、任务和发展简史
水力学的发展简史
——世界公认的最早的水力学的萌芽 ——世界公认的最早的水力学的萌芽
第一章 绪论
阿基米德 Archimedes 约公元前287 287～ 212） （约公元前287～前212）
在《论浮体》一文中首先提出了论述 液体平衡规律的定律； 确立了流体静力学的基本原理，给出 许多求几何图形重心，证明了浮力原 理，后称阿基米德的原理。 。
1.1 水力学的定义、任务和发展简史
水力学的发展简史 ——古代中国水力学的发展 ——古代中国水力学的发展 相传四千多年前（公元前2070，夏左右）大禹治水； 大约在4000多年之前，我国的黄河流域洪水为患， 尧命鲧负责领导与组织治水工作。鲧采取"水来土挡" 的策略治水。鲧治水失败后由其独子 禹主持治水大 任。禹接受任务后，首先就带着尺、绳等测量工具到 全国 的主要山脉、河流作了一番周密的考察。他发 现龙门山口过于狭窄，难 以通过汛期洪水；他还发 现黄河淤积，流水不畅。于是他确立了一条与 他父 亲的"堵"相反的方针，叫作"疏"，就是疏通河道，拓 宽峡口，让洪水能更快的通过。 禹采用了“治水须顺水性，水性就下，导之入海。高 处凿通，低处疏导”的治水思想。
秦始皇元年（公元前246）韩国水工郑国主持 兴建郑国渠； 秦始皇二十八年(公元前219)修建的灵渠；灵 渠开凿于公元前218年（秦代）。横亘湘、桂 边境的南岭山势散乱，湘江、漓江上源在此 相距很近。兴安城附近分水岭为一列灵渠地 处桂林兴安县境内，是中国著名的古代水利 工程，也是世界上最古老的运河之一，它沟 通了湘江（长江水系）与漓江（珠江水系）， 为开发岭南起了重要作用。灵渠为秦始皇帝 时期所建，至今有二千二百多年的历史，其 设计之精巧，令人赞叹。 明朝张季训：“塞旁决以挽正流，以堤束水， 以水攻沙”,的治理黄河的措施。
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第 水工水力学的研究重点包括：
2012年2月
18
18
水力学
水力学
第 一 章
定义：研究液体（主要是水）的平衡和 机械运动的规律及其应用的一门技术科
学
绪 论
机械运动规律:研究液体处于运动状态的
宏观变化规律,涉及力与运动的关系.
水动力学
水力学的基础内容
2012年2月
19
19
水力学
水力学
第 一 章
定义：研究液体（主要是水）的平衡和 机械运动的规律及其应用的一门技术科
绪
论
Trent River
Neuse River Network
N
W
E
plan view
S
Scale
0
5 km 10 km
Pamlico Sound
Upper
Broad Creek
Goose Creek
Beard Creek
Greens Creek
Dawson Creek
Broad Creek
Slocum Creek
平衡
机械运动规律:力与运动的关系,宏观变化规律。 涉及: 空间（x y z） 时间 (t）
17
水力学
水力学
第 定义：研究液体（主要是水）的平衡和机械运动 一 的规律及其应用的一门技术科学 章
绪 第二章 水静力学 论 研究液体平衡（包括静止和相对平衡）规律
主要是求作用与物体上的力 是水力学其他部分的基础
采用数值模拟时，数值求解描述物理现象的
控制方程--水流运动的质量方程、动量方程和
绪
物质输运方程。
论 在相似的水动力平台上组装不同的组块就可
以解决不同的有关工程问题 。
如：河流流域防洪与溃坝分析、泥沙运动与 河流演变的数学模拟
43
水力学
NeRuisveer
第 一 章
Swift Creek
Bachelor Creek
水力学
第 一 章 绪 论
水力学
Hydraulics
1
水力学
第 一
章
绪 论
三峡
2
水力学
第 一
章
绪 论
三峡
3
水力学
第 一 章 绪 论
水利工程：都江堰
4
水力学
第 一
章
绪 论
水利工程：都江堰
5
水力学
第 一 章 绪 论
瀑布沟
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6
水力学
第 一 章 绪 论
Grand Coulee Dam
水力学
13
水力学
第 一 章 绪 论
Water Distribution
14
水力学
举例：
第 一 章 绪 论
15
水力学
第 一
章
绪 论
16
水力学
第一章 绪 论
1-1 课程简介
第 1、水力学 研究液体平衡和机械运动规律及
一
其应用的一门学科。
章
2、研究对象 液体（主要是水） 绪
论 3、研究内容 静力学、动力学及应用
学管
绪 论
渠（恒定流，非恒定流）
孔
堰
地下水
2012年2月
20
20
水力学
应用-管
第 一
管流的计算
章 管网的计算
绪 论
2012年2月
21
21
水力学
应用-渠道
渠道的底坡
断面形状
第
过水流量
一
推求水面线
章
绪 论
2012年2月
22
22
水力学
第 一 章 绪 论
应用-堰闸、地下水
2012年2月
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水力学
第 一 章 绪 论
How 模型试验
18.52012年2月 cm/sec
22.2 cm/sec
27.7 37.0 cm/sec cm/sec
55.5 cm/sec
7129.0 cm/sec 29
水力学
第 一 章 绪 论
2012年2月
30
30
水力学
数值模拟
第 一
Example: Draft tube flow
章
绪 论
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水力学
第 一
computational mesh:
章
绪 论
33
水力学
第 一
Results
章
绪 论
34
水力学
第 一 章 绪 论
How 数值模拟
2012年2月
35
35
水力学
拓展学科
第 一
环境水力学
章
计算水力学
绪 论
水工水力学
生态水力学
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水力学
环境水力学
第 一
· 环境水力学的任务：研究污染物质
第 一 章 绪 论
Spillway 泄洪道
8
பைடு நூலகம்力学
Lock Haven Flood Protection Project
第 一 章
绪 论
/pbriefs/lhfloodpro.html
9
水力学 Feeder Canal Check Gates
为检验理论分析成果或总结某些基
第 一
本规律提供依据
章
绪 论
2012年2月
27
27
水力学
How 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。
第 一
实验室内，小规模的造成某种水流运动，
章 用已进行系统的实验观测，从中找到规
绪 律。
论
2012年2月
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28
水力学
Hancock Creek
Clubfoot Creek
Adams Creek
South River
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水力学
第 一 章 绪 论
Neuse Bathymetry
depth (m) 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5
45
水力学
第 一 章 绪 论
46
水力学
水工水力学
章
在水体中的掺混扩散规
绪
基本方程
论
·污染物质在水体中输运规律的数学
描述（即：水流运动和物质输运基
本方程）
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水力学
第 一 章 绪 论
卡迪夫河流污染治理
38
水力学
第 一 章 绪 论
39
水力学
第 一 章 绪 论
40
水力学
第 一 章 绪 论
41
水力学
第 一 章 绪 论
42
水力学
计算水力学
第
一 章
第 一 章 绪 论
10
水力学
第 一 章 绪 论
Gates
11
水力学
Turbulent Flow Losses in Open Conduits
第 一 章 No shear 绪 论stress
Maximum shear stress
12
水力学
第 一 章 绪 论
Dams and Reservoirs
理论分析
第 一 章
经典力学的基本原理： 牛顿的三大 定律
绪 水流运动的基本方程式： 连续性方 论 程、能量方程、动量方程
2012年2月
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水力学
实验分析
第 一
1、原型观测
章 2、模型实验
绪 3、系统实验
论
2012年2月
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26
水力学
在野外或H水o工w建原筑型物观现场测，对水流
运动进行观测，收集第一性资料，
静力学——研究“静止液体”的力学，
讨论静水压强和总压力的计算等。
第
一 章
动力学——研究在外力作用下，液体的
运动，也要考虑能量和损失，并求解。
绪 论
推导质量守恒、动量守恒、能量守恒方 程并求解。
应用——管道、渠道、孔口管嘴、堰流、 消 能、地下水渗流
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水力学
4. 研究方法 理论、实验及数值模拟