1、1,0 绪 论,2,0.1 水力学的定义及任务,0.2 学习水力学的意义,0.3 水力学的发展简史,0 绪 论,3,4,5,6,7,8,9,理论分析：,将普遍规律、公理，如：牛顿定律能量守恒原理力系的平衡定律动能定律动量定律等用于液体分析中，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。,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,0.3 水力学的发展简史,0.3.1 古代中国水力学发展,几千年来，水力学是人们在与水患作斗争发展生产的长期过程中形成和发展起来的。,25,26,春秋战国末期（公元前221前左右）秦国蜀郡太守李冰在岷
2、江中游修建了都江堰，闻名世界的防洪灌溉工程，消除了岷江水患，灌溉了大片土地，使成都平原成为沃野两千年来，一直造福于人类。,27,28,秦始皇二十八年(公元前219)修建的灵渠。 中国沟通长江水系和珠江水系的古运河。又名陡河、兴安运河。在今广西壮族自治区兴安县境内。秦统一六国后，向岭南用兵，秦始皇派监郡御史禄凿灵渠运粮。它沟通了湘江和漓江，由于历代不断增修改进，技术逐步完善，作用日益增大，是2000余年来岭南（今广东广西）与中原地区的主要交通线路，直至粤汉铁路和湘桂铁路通车。,29,30,31,32,公元1363年（元末）曾制造了一种计算时间的工具：铜壶滴漏。 通过一系列铜壶的小孔时壶中的水位随
3、时间变化规律来计算时间。可见，当时已认识到孔口出流和上游水位间存在一定的关系。,33,明朝张季训总结广大人们与黄河水患作斗争的丰富的经验，提出 “塞旁决以挽正流，以堤束水，以水攻沙”, 的治理黄河的措施。可见，当时对流速与过水断面成反比的连续方程一定量的水流能携带一定量的泥沙规律有一定认识。,34,清朝初年我国何梦瑶等人提出用过水断面面积乘以断面面积计算流量的方法。,35,我国人民很早就懂得利用水流的冲力带动水车、水磨等水利机械。,36,37,阿基米德 Archimedes （约公元前287前212）古希腊科学家。生于西 西里岛的叙拉古。父亲菲 迪阿斯是天文学家。阿基 米德曾到埃及的亚历山大，
4、 在欧几里得开办的数学学 校学习。后从事数学、力学、机械的研究。,38,阿基米德 Archimedes （约公元前287前212）阿基米德确立了静力学和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。他还给出正抛物旋转体浮在液体中平衡稳定的判据等。,39,Da Fenqi 达芬奇 Leonardo da Vinci (14521519)意大利艺术家、科学家和工程师。文艺复兴时代的 代表人物。1452年4月15日生于佛罗伦萨的芬奇镇,1519 年 5月2日卒于法国。对自然科学如数学、 力学、水利、 气象学、人体解剖、植物学、建筑学、机械学等都有很 深造诣。,40
5、,达芬奇在水文和水力学理论方面他最先对漩涡的流速分布、突然扩大断面和尾流漩涡、波浪传播和水跃等进行探讨或描述，成就远超过前人。他又提出水的连续定律,认识到明渠流的边界阻力,还首先提出关于流线形物体、降落伞、风速表、离心泵等设想。达芬奇在水利方面的著作有水的运动与测量。,41,42,斯蒂文，S. Simon Stevin (15481620) 荷兰科学家。1548年生于布鲁日 （今比利时境内），1620年卒于海 牙或莱顿。曾当过商人的伙计，在 军队中任职。斯蒂文在数学上的贡献是他在 1585年采用了十进位的小数记数方法。他对流体力学的贡献是关于液体平衡的论著静力学 原理，1586年发表，1605
6、年收入他的数学文集,43,44,帕斯卡 (16231662) 法国数学家、物理学家。1623年6月19日生于克莱蒙费朗，1662年8月19日卒于巴黎。帕斯卡在1653年提出液体能传递压力的定律，即帕斯卡定律，并利用这一原理制成水压机。国际单位制中压力单位帕以其姓氏命名。帕斯卡在数学方面的贡献主要是发现了二项式展开 定律；他还是概率论的创立人之一。,45,46,托里拆利，E. Evangelista Torricelli (16081647) 意大利物理学家、数学家。1608年10月15日生于法 恩扎，1647年10月25日卒于佛罗伦萨。托里拆利是伽利略的学生及其晚年的助手（1641 1642）
7、，1642年继承伽利略任佛罗伦萨学院数学教授。托里拆利以发明气压计而闻名。1643年他提出了托 里拆利公式。他还求得高次抛物线、摆线等曲线下的面 积计算公式，对于微积分的发明起了先导作用。,47,48,49,丹尼尔第一伯努利 (Daniel Bernoulli)1700年生于荷兰格罗宁根，1782年卒于格罗宁根。 17261733年在俄国彼得堡科学院主持数学部。后任植物学、解剖学、自然哲学教授。丹尼尔第一伯努利以水动力学，关于流体中力和运动的说明(1738)一书著称于世，书中提出伯努利定理。丹尼尔第一的固体力学论著很多。他还考虑过不对称浮体在液面上的晃动方程。,50,51,欧拉，L. Leon
8、hard Euler (17071783)瑞士数学家、力学家。 1707年4月15日生于瑞士，1783年 9月18日卒于俄国彼得堡，是18世纪著述最多的数学家。他的著 述涉及当时数学的各个领域，在力学各领域都有突出贡献。欧拉用两种方法来描述流体的运动，这两种方法通常 称为欧拉表示法和拉格朗日表示法(1755和1759)描述流体 速度场；奠定了理想流体的运动理论基础，给出反映质量 守恒的连续性方程(1752)和反映动量变化规律的流体动力 学方程(1755)。欧拉写有专著和论文 800多种。,52,53,Nawei 纳维，C.-L.-M.-H. Claude-Louis-Marie-Henri N
9、avier (17851836)法国力学家、工程师。1785年 2月10日生于第戎，1836年 8月21日卒于巴黎。少年时由他舅父、工程师E.-M.戈泰(17321807)照料。 1802年进巴黎综合工科学校求学，1804年毕业后进桥梁公路学校求学，1806年毕业。1819年起在桥梁公路学校讲授应用力学，1830年起任教授。1824年被选为法国科学院院士。,54,纳维的主要贡献是为流体力学和弹性力学建立 了基本方程。1821年他推广了L.欧拉的流体运动方程， 从而建立了流体平衡和运动的基本方程。方程中只含 有一个粘性常数。1845年G.G.斯托克斯改进了他的流 体力学运动方程，得到有两个粘性常
10、数的粘性流体运 动方程（后称纳维斯托克斯方程）的直角坐标分量 形式。,55,斯托克斯，G.G. George Gabriel Stokes (18191903)英国力学家、数学家。1819年8月13日生于斯克林， 1903年2月1日卒于剑桥。斯托克斯自1849年起在剑桥大学任卢卡斯座教授， 1851年当选皇家学会会员，1854年起任学会书记，30年 后被选为皇家学会会长。斯托克斯为继牛顿之后任卢 卡斯座教授、皇家学会书记、皇家学会会长这三项职务 的第二个人。,56,斯托克斯的主要贡献是对粘性流体运动规律的研究。 C.L.-M.-H.纳维从分子假设出发，将L.欧拉关于流体 运动方程推广，1821
11、年获得带有一个反映粘性的常数 的运动方程。1845年斯托克斯从改用连续统的力学模 型和牛顿关于粘性流体的物理规律出发，给出粘性流 体运动的基本方程组，其中含有两个常数。这组方程后 称纳维斯托克斯方程，它是流体力学中最基本的方程 组。,57,斯托克斯1851年提出球体在粘性流体中作较慢运动 时受到的阻力的计算公式，指明阻力与流速和粘滞系数 成比例，这是关于阻力的斯托克斯公式。斯托克斯发现流体表面波的非线性特征，其波速依 赖于波幅，并首次用摄动方法处理了非线性波问题(1847)。,58,59,Daxi 达西，H.-P.-G. Henri-Philibert-Gaspard Darcy (18031
12、858)法国工程师。1803年6月10日生于法国第戎市,1858年1月3日卒于巴黎。1823年毕业于工业专科学校，后在第戎市工程局任技术员。1828年被任命为工程师。,60,达西一生曾负责过运河、铁路、 公路、 桥梁、隧洞等各种土木工程的设计与建设工作。达西着重研究了冲积层中地下水的运动机理。1856年通过沙土渗透试验,首先提出:通过试样的流量与试样横断面积及试样两端测压管水头差成正比，与试样的高度成反比。国际上将此项渗透规律定名为达西定律.,61,62,63,谢才，A.de Antoine de Chezy (17181798)法国水利工程师。1718年生于马恩河畔沙隆，1798年10月 5
13、日卒。在著名桥梁专家佩罗内领导下，他参与了巴黎许多桥梁与街道的施工和验收,并对法国的运河建设,尤其是连接塞纳河和罗讷河流域的勃艮第运河进行了研究。他在水力学上的主要贡献是提出了明渠均匀流的流速公式。,64,65,66,0.3.4 现代流体力学和现代水力学,到19世纪末，虽然用分析法的流体动力学取得很大进展，但不易起到促进生产的作用。与流体动力学平行发展的是水力学（见液体动力学）。这是为了满足生产和工程上的需要，从大量实验中总结出一些经验公式来表达流动参量之间关系的经验科学。,67,使上述两种途径得到统一的是边界层理论。边界层理论是由德国L.普朗特在1904年创立的。这一理论既明确了理想流体的适
14、用范围，又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。,68,随着现代化工农业和新技术的迅速发展，以纯理 论分析为基础的古典流体力学，实验为基础的实验水 力学都不能满足生产发展要求，逐渐形成了以理论和试验研究结合的现代流体力学和现代水力学,69,70,Leinuo雷诺，O. Osborne Reynolds (18421912)英国力学家、物理学家和工程师。1842年8月23日生 于北爱尔兰的贝尔法斯,1912年2月21日卒。1867年毕业于剑桥大学王后学院。1868年出任曼彻斯特欧文学院的工程学教授。1877年当选为皇家学会会员。1888年获皇家勋章。1905年因健康原因退休。他是一位杰出的实验科学家。
15、,71,雷诺于1883年发表了一篇经典性论文，以实验结果说明水流分为层流与紊流两种形态，并提出以无量纲数Re（后称为雷诺数）作为判别两种流态的标准。他于1886年提出轴承的润滑理论。1895年在湍流中引入有关应力的概念。雷诺兴趣广泛，一生著述很多，其中近70篇论文都有很深远的影响。这些论文的内容包括力学、热力学、电学、航空学、蒸汽机特性等。,72,73,儒科夫斯基：俄国力学家。1847年1月17日生,1921 年卒。1868年毕业于莫斯科大学物理数学系。1872年起任 莫斯科工业学院分析力学系数学讲师，1874年任副教授。 1876年得硕士学位,论文为液体运动学。1882年获应 用数学博士学位
16、，论文为关于运动稳定性问题的论运 动的持久性。1885年起在莫斯科大学教授理论力学。 1894年被选为彼得堡科学院通讯院士。,74,75,Pulangte 普朗特，L. Ludwig Prandtl (18751953)德国力学家，现代流体力学的 创造人之一。1875年2月4日生于 弗赖辛,1953年8月15日卒于格丁根。 曾在慕尼黑工业大学学习力学工程，并于1900年获得博士学位。1901年出任汉诺威大学教授。,76,普朗特1904年提出边界层理论。1904年建立和主持了空气动力学实验所。1925年以后又建立威廉皇家流体力学研究所。以后该所改名为普朗特流体力学研究所。他在边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。,77,78,79,紊流边界层理论水工水力学管道和明渠非恒定流渗流高速水流（高速水力学）波浪运动相似理论等领域取得了丰硕成果，丰富和发展了水力学的内容,80,81,现在， 水力学（工程流体力学）已成为一门理论、实验和计算相结合的学科。,
