东南大学 水力学 第一章绪论

1水力学2目录绪论第一章水静力学第二章水动力学基础第三章液流阻力和水头损失第四章有压管道、孔口与管嘴出流第五章明渠均匀流及非均匀流第六章堰流及堰下流的水流衔接第七章因次分析与模型试验第八章渗流3绪论主要内容：阐述水力学的主要任务和水力学在给水排水、道路、桥梁专业中的应用水力学的任务和研究对象流体的连续介质假设流体的主要物理力学性质作用于流体上的力4§0－1水力学的任务和研究对象任务：研究流体的平衡和机械运动的规律及其在生产实践中的应用。研究对象：主要对象是以水为代表的流体，但其理论对于其它各种流体及可忽略压缩性影响的气体也同样适用。5水力学是许多工程实践的基础给水排水工程中：设计水厂、打井修渠、铺设管路、选择水泵道路桥梁工程中：穿过公路路堤的涵洞尺寸、型式和桥梁孔径的计算上述工程都涉及到水力学问题，因此水力学是一门重要的技术基础课。例如：6研究流体平衡的规律是指水静力学，它研究流体处于静止（或相对平衡）状态时作用于流体上的各种力的相互关系。研究流体机械运动的规律是指水动力学，它研究流体在运动状态时，作用于流体上的力和运动要素之间的关系。由于在自然界和实际工程中液流大多数处于运动状态，所以水力学中大部分内容是讨论水动力学问题。7§0－2流体的连续介质假设（continumhypothesis)由于流体力学中只研究流体的宏观机械运动规律，所以我们引入了流体的连续介质假设。该假设认为：流体是由无数的没有空隙地充满所占空间的流体质点组成的。根据这一理论，流体中各种物理量的变化也是连续的，可应用连续函数的理论来分析流体的运动。需要注意的是实际上流体也是由大量不停地做无规则热运动的分子组成的，分子间是有间隙的。8§0－3流体的主要物理力学性质（propertiesoffluids)（一）密度和重度（density)单位体积流体的质量称为流体的密度，以符号ρ表示，国际制（SI）单位是千克/立方米（kg/m3）。mv单位体积流体的重量称为流体的重度，以符号γ表示，其单位是牛/米3（N/m3）。Gv9根据牛顿第二定律，可知密度与重度有下列关系：g或一般情况下，流体的密度和重度随压强和温度的变化甚微，可视为常数。10（二）压缩性及压缩系数随着所受压力的增大，液体体积减小的性质称为液体的压缩性。体积压缩系数β是液体体积的相对缩小值与压强的增值之比。β值越大，液体压缩性越大。β常用单位为厘米2/牛顿（cm2/N）。dvvdp液体压缩性的大小以体积压缩系数β或体积弹性系数k来度量。11体积压缩系数β的倒数称为体积弹性系数，以k表示，常用单位为牛顿/米2（N/m2）。k值越大液体愈不易压缩，k趋于无穷大时表示绝对不可压缩。1kβ和k值随液体种类不同而不同。对于同种液体，两者随温度和压强变化不大，故可视为常数。12（三）汽化压强液体汽化时具有的向外扩张的压力称为汽化压强，也称饱和蒸汽压。汽化压强与沸点的关系：汽化压强增大，沸点升高；汽化压强减小，沸点降低。13（四）粘性与粘滞系数流体在运动状态下所具有的抵抗剪切变形的能力称为流体的粘滞性，相对运动着的流体质点间的内摩擦力称为粘滞力。ydyyxuu+du边壁u+duu21流向慢层快层14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du成正比，与两液层之间距离dy成反比，同时还与液体性质有关，其表达式如下：dudy或dudy上式就是“牛顿内摩擦定律”的表达形式，为随液体种类不同而导出的比例系数，称为动力粘滞系数。15可以证明流速梯度du/dy有有实质上就是液体质点的剪切变形速率。流速梯度既描述了液体之间的相对运动，又是液体的剪切变形速率，所以牛顿内摩擦定律的物理实质是：液体的粘滞切应力与液体的剪切变形速率成正比。与的区分：2：动力粘滞系数，牛顿秒/米、帕斯卡秒/2：运动粘滞系数，米秒16对于同种液体，或值均随温度和压力而异，但对温度变化较敏感，随压力变化则不大。由于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，当温度升高时，分子距离增大，分子间内聚力显著下降，所以粘滞性减小，或值变小。对于水，有经验公式：20.0177510.03370.000221tt式中，t为水温，以0℃计；以厘米2/秒计。17需要注意的是：并不是所有的流体都符合牛顿内摩擦定律。符合牛顿内摩擦定律的液体称为“牛顿液体”，例如水、酒精等常见的液体。不符合牛顿内摩擦定律的液体称为“非牛顿液体”，例如泥浆、胶状液体、接近凝固的石油等某些特殊液体。18实际流体都是有粘滞性的，但为了便于研究，水力学上引入了“理想流体”的概念：忽略粘滞性或假定没有粘滞性的流体。上述关于“理想流体”的假设其实是一种重要的研究方法！19例：已知圆管中的流速分布公式为：22(1)rucR流速分布如右图所示。试求管中粘滞切应力的分布公式。Rr由已知条件，根据牛顿内摩擦定律有下式：2222()ducrcrdrRR式中，为常系数，故，切应力在管内呈三角形分布。22cRr解：20思考题：已知液体中的流速分布分别为：矩形分布、三角形分布、抛物线分布。试定性地画出各种情况下的切应力分布图。uyu~yuyu~yuyu~y21§0－4作用于流体上的力由于外力的作用使得流体作机械运动，作用于流体上的外力根据作用方式不同可分为质量力与表面力两类。质量力作用在液体的每个质点上，和质量成正比，如重力、惯性力。在均质液体中，质量力又称体积力。单位质量力是指作用在单位质量流体上的质量力，如重力加速度g、加速度a。设总质量力F在空间坐标的投影分别为Fx、Fy、Fz，则单位质量力f在相应坐标的投影为X、Y、Z，则有：xFXMyFYMzFZM22表面力作用于流体的表面上，其大小既可用总的作用力来度量，也可用单位面积上的表面力来度量。表面力又可分为垂直于作用面的压力（压应力）和平行于作用面的切力（切应力）。表面力也可以是流层分界面上的内力。23思考题：试分析图中三种情况下水体A受哪些表面力和质量力作用？分别为：静止水池、明渠中水流、平面弯道水流。AuAu