1、第一章 绪论,1-1 水力学的内容及其发展简史1-2 连续介质假设及液体的主要物理性质1-3 作用于液体上的力,【教学基本要求】,【学习重点】,教学基本要求,1、明确水力学课程的性质和任务。2、了解流体的基本特征，理解连续介质和理想流体的概念和在水力学研究中的作用。3、理解流体5个主要物理性质的特征和度量方法，重点掌握流体的重力特性、惯性、粘滞性，包括牛顿内摩擦定律及其适用条件。了解什么情况下需要考虑流体的可压缩性和表面张力特性。4、了解质量力、表面力的定义，理解单位面积表面力（压强、切应力）和单位质量力的物理意义。,1、连续介质和理想流体的概念。2、液体的基本特征和主要物理性质，特别 是液体
2、的粘滞性和牛顿内摩擦定律及其应用条件。3、作用在流体上的两种力。,学习重点,1-1 水力学的内容及其发展简史,一、水力学的定义、内容,水力学：是研究液体的平衡和机械运动的规律及其在生产实践中应用的一门科学。,主要内容：液体平衡和运动的基本原理量纲分析和相似原理水流阻力和水头损失有压管流、管嘴、孔口、堰闸出流明渠恒定流,二、发展简史,发展 Archimedes（250BC）液体浮力与浮体定律 B.Pascal（1650）液体压强的传递规律 Newton (1686) 内摩擦定律系统理论的建立DI.Bernowli（1738）：能量方程L.Ewler（1755）：理想液体的微分方程式组Hydrod
3、ynamics（水动力学）即古典流体力学,H.Pitot(1732)： Pitot管A.dechezy(1769)：谢才公式（计算均匀流动）H.Darcy(1856)Dany定律 hydraulics水力学19s中叶：纳维一斯托克斯：建适用于粘性流体的方程雷诺：Reynolds方程 近代粘性流动理论1904：L.prandtl建立边界层理论 使古典流体力学与水力学两种研究途径得到统一,二、发展简史,1-2 连续介质假设及液体的主要物理性质,一、连续介质模型 连续介质模型：把液体看作由无数没有微观运动的质点组成的没有空隙的连续体，并且认为表征液体运动的各物理量、例如 密度、速度、压强等在空间和时
4、间上都是连续分布和连续变化的。 液体质点：每个质点包含足够的分子并保持着宏观运动的一切特性，但其体积与研究范围相比又非常小，以致可以认为它是液体空间中的一个点。,二、液体的主要物理力学性质,液体和固体的主要区别在于液体易变形和流动，而与气体相比则能保持一定的体积，具有自由表面。,1.密度和重度：,密度（）：单位体积液体的质量称为液体的密度。,(kg/m3),密度分布均匀的液体称为均质液体，否则称为体均质液体。,重度（）：单位体积液体的重量。,(N/m3),（g=9.8m/s2）,密度和重度随压强和温度而有所变化，但在一般情况下均可视为常数 。,（重量是惯性的度量，惯性是物体反抗改变原有运动状况
5、的物理性质。）,2. 压缩性及压缩系数,液体不能承受拉力只能承受压力，液体受压后体积减小的性质称为液体的压缩性，除去压力后液体体积能够恢复原状的性质称为液体的弹性。常用体积压缩系数表征液体的压缩性 。 (N/m2)体积压缩系数的倒数称为体积弹性系数，即 、k随温度和压强的变化而变化，但变化不大，故一般看作常数。,.粘滞性与粘滞系数,液体具有易流动性，流动性是液体受切力发生连续不断变形的性质，这种变形称为剪切变形。液体在流动过程中，其内部就会出现抵抗，不同性质的液体，其抵抗变形的能力是不同的，液体抵抗剪切变形的性质称为液体的粘滞性。下面的例子将说明粘滞性的存在：,如图所示：当液体沿某一固定平直边
6、界流动时，位于边界法线Y上各点的流速分布情况。（图中剪头代表各点流速方向，线段长度代表点流速的大小。）,实验证明：相邻液层接触面的单位面积上所产生的内摩擦力的大小与两液层之间的速度差 成正比，与两液层之间距离 成反比，同时与液体性质有关，其表达式为：,式中：为动力粘滞系数； 为流速梯度。,下面证明 实质上是代表液体质点的剪切变形速率。,如图所示：方形质点ABCD在流速差及粘滞切应力的作用下，经时段，其位置和形状变为ABCD,即发生剪切变形 。,因为 为微分时段， 也为微量，可认为：,则单位时间内所发生的剪切变形为：,所以,即： 既描述了液层之间的相对运动，又表征了液体的剪切变形速率。故牛顿内摩
7、擦定律所表明的物理实质是：液体的粘滞切应力与液体的剪切变形速率成正比。,在水力学中，常综合考虑惯性与粘滞性，用表示，即：,称为运动粘滞系数。,cm2/s斯托克斯0.0001m2/s,在同一种液体中， 或值随温度和压力而异，但随压力变化小，而对温度变化较为敏感，液体的粘滞性则随温度的增高而减小。因为：液体产生粘滞性的主要原因，是分子间的内聚力（引力）所形 成的粘滞性阻力。,对水而言， 可按下列经验公式计算：,式中：t为水温（），为动力粘滞系数（cm2/s）,牛顿液体：符合牛顿内摩擦定律的液体。理想液体：忽略粘性或假定没有粘滞性的液体。,（m2/s）,1-3 作用于液体上的力,一、表面力（压力、内
8、摩擦力）表面力是作用在液体的表面或截面上且作用面的面积成正比的力，表面力又称为面积力，又由于它产生在液体与液体或液体与固体的接触面上，故又称接触力。（如图3所示）表面力按其作用方向可分为：垂直于作用面的力（压力）单位面积上的压力即压应力或压强（p） 平行于作用面的力（切力）单位面积上的切力即切应力（）,返回本章首页,回到总目录,.质量力（重力、惯性力）,质量力是作用于液体上的每一质点上且质量成正比的力。 单位质量所受的质量力称为单位质量力（ ）。,若F在坐标X、Y、Z上的投影分别为Fx、Fy、Fz.则单位质量力f在相应坐标上的投影为,F,P,T,A,A,V,n,法向应力,周围流体作用的表面力,切向应力,图 3 作用在液体上的表面力,
